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Technisches Korpuskularstrahlgerät mit einer Abfangvorrichtung für
abgetragenes Werkstückmaterial Die vorliegende Erfindung betrifft ein technisches
Korpuskularstrahlgerät zur Bearbeitung eines Werkstückes mittels eines Korpuskularstrahles,
mit einem Vakuumgehäuse, einem in diesem angeordneten Strahlerzeugungssystem zum
Erzeugen eines längs einer Strahlachse auf das Werkstück gerichteten und an einem
Strahlauftreffort auf diesem auftreffenden Korpuskularstrahles, und mit einer Abfangvorrichtung
für Werkstückmaterial, das bei der Bearbeitung des Werkstückes vom Korpuskularstrahl
am Strahlauftreffort freigesetzt wird.
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Bei der Materialbearbeitung mittels eines Korpuskularstrahles, insbesondere
Elektronenstrahls ("EB"), z.B. beim Bohren, Gravieren und dgl., wird Werkstückmaterial
frei, das unerwünschte Niederschläge im Vakuumgehäuse des Korpuskularstrahlgeräts
und auf dem bearbeiteten Werkstück bildet.
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Es ist bekannt, das abgetragene Werkstückmaterial ("Abtrag") durch
rotierende Scheiben, bewegte Bänder, Abschirmbleche (die mit einer Kühlung versehen
sein können) und dgl. abzufangen, um unerwünschte Niederschläge auf dem Strahlerzeuger,
dem Werkstück und den Wänden des Vakuumgehäuses zu verhindern. Die bekannten Abfangvorrichtungen
haben jedoch den Nachteil, daß das
auf sie auftreffende abgetragene
Werkstückmaterial nur teilweise haften bleibt und zu einem erheblichen Teil auf
das Werkstück zurückfällt oder in das Vakuumgehäuse reflektiert wird.
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Die bekannten Abfangvorrichtungen dienen außerdem in erster Linie
dem Schutz des Strahlerzeugers und sind daher nicht geeignet, das Werkstück und
die sich an dieses anschließenden Teile des Vakuumgehäuses zu schützen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt, ausgehend von diesem Stand der Technik,
die Aufgabe zugrunde, ein technisches Korpuskularstrahlgerät mit einer Abfangvorrichtung
für abgetragenes Werkstückmaterial anzugeben, die den Abtrag praktisch vollständig
abfängt und dauerhaft festhält.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 unter Schutz gestellte
Erfindung gelöst.
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Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung.
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Bei einem technischen Korpuskularstrahlgerät mit der angegebenen Abfangvorrichtung
wird der Abtrag praktisch vollständig und dauerhaft auf dem Abfangkörper abgeschieden,
so daß praktisch keine unerwünschten Niederschläge mehr auf dem Werkstück und den
Wänden des Vakuumgehäuses auftreten können. Das einwandfreie Abfangen des Abtrages
ist auch beim Freiwerden größerer Mengen an Werkstückmaterial gewährleistet, wie
es z.B.
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beim Gravieren von Tiefdruckformen der Fall ist. Die Abfangvorrichtung
läßt sich preiswert herstellen und leicht reinigen oder ersetzen, so daß die sich
durch die Abfangvorrichtung ergebenden zusätzlichen Anlagekosten und Betriebs- sowie
Wartungskosten klein sind.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung-unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher erläutert;es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung
eines te#chnischen Korpus#-kularstrahlgerätes mit einer Abfangvorrichtung gemäß
einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Fig. 2 eine Schnittansicht eines Teiles
einer praktischen Ausführungsform eines technischen Korpuskularstrahlgerätes -mit
einer Abfangvorrichtung gemäß der Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei der
Bearbeitung von Werkstücken mittels eines Korpuskularstrahles, z.B. eines Elektronenstrahls,
das abgetragene Material zum großen Teil nicht als Dampf, sondern in Form von kleinen
Tröpfchen aus flüssigem Werkstückmaterial freigesetzt wird.
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Es wurde gefunden, daß man diese Flüss#eitströpfchen sicher und dauerhaft
niederschlagen kann, wenn in ihren Weg die Oberfläche eines Abfangkörpers gebracht
wird, die so angeordnet und geformt ist, daß die Flüssigkeitströpfchen wenigstens
annähernd senkrecht auf die Oberfläche des Fangkörpers auftreffen und im Augenblick
des Auftreffens gerade noch flüssig, also kurz vor dem Erstarren sind. Unter diesen
Voraussetzungen übertragen die praktisch mikroskopischen Flüssigkeitsteilchen ihre
kinetische Energie an den Abfangkörper, auf dessen Oberfläche sie auftreffen, und
sie platten sich beim Auftreffen ab und erstarren. Die durch die Abplattung entstandene
Kontaktfläche bewirkt eine intensive Adhäsionshaftung. Die Wärmeübertragung aus
der sich durch die Abplattung ergebenden, relativ großen Berührungsfläche zum Abfangkörper
bewirkt ein rasches Erstarren des Tröpfchens und verhindert ein Zurückspritzen.
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Bei dem in Fig. 1 beispielsweise dargestellten Korpuskularstrahlgerät
handelt es sich um ein Elektronenstrahlgerät ("EB-Gerät"). Es hat ein Vakuumgehäuse
10, in dem ein Strahlerzeugungssystem 12 angeordnet ist, welches einen auf eine
Werkstückposition
gerichteten Elektronenstrahl 14 liefert. Das
Strahlerzeugungssystem 12 wird durch eine Hochspannungsquelle 16 gespeist und der
Elektronenstrahl 14 wird durch eine Fokussierspule 17, die mit einer steuerbaren
Stromquelle 18 verbunden ist, auf die Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstückes
fokussiert, das in Fig. 1 als Tiefdruckzylinder 20 dargestellt ist. Das Vakuumgehäuse
10 ist mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe verbunden und durch eine Labyrinthdichtung
gegen die Oberfläche des Tiefdruckzylinders 20 abgedichtet. Der Tiefdruckzylinder
20 kann z.B. aus Stahl bestehen und an seiner Mantelfläche mit einer Kupferhaut
überzogen sein, die durch den Elektronenstrahl 14 graviert wird. Während des Gravierens
wird der Tiefdruckzylinder 20 um seine Achse gedreht und die Intensität des Elektronenstrahls
14 wird entsprechend dem zu gravierenden Muster moduliert.
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Soweit beschrieben sind das EB-Gerät und seine Verwendung bekannt.
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Beim Gravieren trifft der Elektronenstrahl 14 in einem Strahlauftreffort
22 auf der Oberfläche des Tiefdruckzylinders 20 auf und setzt dort Werkstückmaterial,
also z.B. Kupfer aus der Kupferhaut des Tiefdruckzylinders, frei. Wenn keine besonderen
Maßnahmen getroffen werden, schlägt sich das abgetragene Kupfer sowohl auf der Oberfläche
des Tiefdruckzylinders als auch auf den Wänden des Vakuumgehäuses 10 und den in
ihm enthaltenen Vorrichtungen in unerwünschter Weise nieder.
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Dieser unerwünschte Niederschlag wird durch eine Abfangvorrichtung
vermieden, die, wie in Fig. 1 schematisch und in Fig. 2 genauer dargestellt ist,
aus einem halbkugelschalenförmigen Abfangkörper 24 besteht, der rotationssymmetrisch
zur Achse des Elektronenstrahls 14 angeordnet ist und im Zenit eine Durchbrechung
26 hat, durch die der Elektronenstrahl 14 in das Innere des Abfangkörpers eintritt
und zur Oberfläche des Tiefdruckzylinders
20 gelangt. Der Abfangkörper
24 hat eine sphärische innere Oberfläche 28, deren Mittelpunkt im Strahlauftreffort
22 liegt.
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Die Werkstoffteilchen, die während des Gravierens vom Elektronenstrahl
14 freigesetzt werden, fliegen vom Strahlauftreffort 22 auf im wesentlichen geradlinigen
Bahnen weg und treffen daher senkrecht auf die innere Oberfläche des Abfangkörpers
24 auf. Die innere Oberfläche 28 hat einen Radius R, der so bemessen ist, daß die
Flüssigkeitströpfchen, die den Hauptteil des freigesetzten Werkstückmaterials bilden,
beim Auftreffen auf die Oberfläche 28 gerade noch flüssig sind. Die obere Grenze
des Radiuses R ist der Abstand, bei dessen überschreitung die Tröpfchen beim Auftreffen
zu kalt sind, um noch einwandfrei zu haften, während die untere Grenze der Abstand
ist, bei dessen Unterschreitung das Zurückspritzen der Tröpfchen unzulässig zunimmt.
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Vorzugsweise verläuft die Strahlachse im wesentlichen horizontal,
so daß das Korpuskularstrahlgerät und die Abfangvorrichtung die in Fig. 1 dargestellte
Lage einnehmen. Diese Anordnung führt bei höheren Graviergeschwindigkeiten aufgrund
der Gravitationskraft zu einer günstigen Werkstückabtragverteilung in der Auffangvorrichtung.
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Der Abfangkörper 24 kann mit einer Vorrichtung zur Temperaturstabilisierung,
insbesondere einer Kühlvorrichtung versehen sein. Beispielsweise kann, wie Fig.
2 zeigt, auf der Außenseite des kugelkalottenförmigen Abfangkörpers 24 eine Rohrleitung
30 durch Hartlöten befestigt sein, die in einen Kühlmittelkreislauf eingeschaltet
ist und den Abfangkörper z.B. auf einer Temperatur hält, die über Raumtemperatur
liegt, beispielsweise +5 0C über Raumtemperatur, um eine Wasserkondensation zu vermeiden.
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Der Abfangkörper kann aus dem gleichen Material bestehen, wie der
bearbeitete Teil des Werkstücks, also z.B. aus Kupfer oder auch aus einer Metallegierung
mit ähnlich guten Wärmeeigenschaften. Der niedergeschlagene Abtrag wird vorzugsweise
durch Elektrolyse vom Abfangkörper entfernt. In diesem Falle kann die Oberfläche
des Abfangkörpers mit einem galvanisch aufgebrachten Überzug, z.B. aus Nickel, versehen
sein, der die elektrolytische Entfernung des Abtrages ohne Anlösen des Abfangkörpers
selbst erleichtert.
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Der Niederschlag auf dem Abfangkörper läßt sich in der Praxis auch
dadurch leicht entfernen (insbesondere wenn der Abfangkörper aus einem anderen Material
besteht als der bearbeitete Teil des Werkstücks), daß man den Abfangkörper auf eine
Temperatur bringt, die deutlich von der verschieden ist, bei der sich der Niederschlag
aus dem Werkstückmaterial gebildet hat.
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Wenn der Abfangkörper aus einem Material besteht, das einen höheren
Schmelzpunkt hat als der Abtrag, kann letzterer auch durch Abschmelzen entfernt
werden, also durch Erhitzen des Abfangkörpers mit dem auf diesem befindlichen Abtrag
auf eine Temperatur, die über der Schmelztemperatur des Abtrags liegt.
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Für den Radius R haben sich Werte zwischen 30 und 80 mm bewährt. Beim
Gravieren von Tiefdruckzylindern mit Kupferhaut hat sich insbesondere ein Radius
R von 48 mm gut bewährt.
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Bei hohen Drehzahlen des Tiefdruckzylinders, z.B. wenn die Umfangsgeschwindigkeit
des Werkstücks in die Größenordnung der Austrittsgeschwindigkeit des abgetragenen
Werkstückmaterials kommt, kann eine Abweichung der Abfangfläche von der Kugelform
zweckmäßig sein. Die Abfangfläche kann sich dann aus mehreren durch Stufen oder
andere Übergänge verbundenen sphärischen Teilen zusammensetzen oder eine diesem
angenäherte Form haben.