DE2458370C2 - Energiestrahl-Gravierverfahren und Einrichtung zu seiner Durchführung - Google Patents
Energiestrahl-Gravierverfahren und Einrichtung zu seiner DurchführungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiestrahl-Gravierverfahren
zum Erzeugen näpfchenförmiger Vertiefungen unterschiedlicher Abmessungen in einer
Oberfläche eines Werkstücks, bei welchem Vertiefungen kleinerer bzw. größerer Abmessungen durch kurzer
bzw. langer dauernde Einwirkung eines Energiestrahles, insbesondere eines Ladungsträgerstrahles, vorzugsweise
eines Elektronenstrahles, vorgegebener, im wesentlichen konstanter Leistung, der in eine bei der zu gravierenden
Oberfläche gelegene Ebene fokussiert ist, erzeugt werden.
Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Aus der DE-AS 11 23 561, der DD-PS 55 965 und der DE-OS 21 11 628 sind bereits Verfahren zum Herstellen
von Tiefdruckformen mittels eines Elektronenstrahles bekannt, mit denen näpfchenförmige Vertiefungen (im
folgenden kurz »Näpfchen«) der verschiedensten Formen hergestellt werden können. Dabei sind die folgenden
Parameter des Energiestrahls steuerbar: Intensität, Brennfleckgröße, Lage des Brennflecks, Intensititsverteilung.
Bewegung des Brennflecks und Einwirkungsdauer. Bei der Erzeugung kleinerer und größerer Näpfchen
eines vorgegebenen Typs wird dabei jedoch im allgemeinen nur einer dieser Parameter geändert, also
ζ. B. die Intensität oder die Einwirkungsdauer des Ladangsträgerstrahls.
Aus der DE-OS 22 07 090 ist es ferner bekannt, runde
und rhombische Näpfchen durch einen Ladungsträgerstrahl mit elliptischem Querschnitt zu erzeugen, bei dem
das Achsenverhältnis mittels eines Stigmators gesteuert werden kann. Die Querschnittsfläche des gravierenden
Ladungsträgerstrahls ist im allgemeinen wesentlich kleiner als die des zu gravierenden Näpfchens. Beim Gravieren
wird beim einen Rand bzw. bei der einen Ecke des Näpfchens mit praktisch punktförmiger Fokussierung
des Ladungsträgerstrahles begonnen und der Ladungsträgerstrah! wird dann quer über die Näpfchenfläche
abgelenkt, sowie ellipsen- bzw. strwhartig bis zu einer maximalen Grobe verzerrt und dann wieder verkleinert.
Das Gravieren der Näpfchen wird hinsichtlich des apparativen AufwarnJes und der Steuerung der Apparatur wesentlich einfacher, wenn der Energiestrahl während des Gravierens eines vorgegebenen Näpfchens nicht abgelenkt zu werden braucht und wenn man bei allen Näpfchengrößen mit der gleichen Strahlleistung arbeiten kann. Wenn man jedoch, wie es auch z. B. aus der DD-PS 55 965 bekannt ist, die Strahlleistung konstant hält und die unterschiedlichen Abmessungen der Näpfchen nur durch eine entsprechende Steuerung der Einwirkungsdauer erzeugt, so muß vnin in der Praxis hinsichtlich der Strahlparameter Kompromisse schließen, die erhebliche Nachteile mit sich bringen. Vor allem tritt bei kleinen Näpfchen eine starke Gratbildung am Näpfchenrand auf. und der Näpfchengrund wird unregelmäßig, außerdem besteht die Neigung, daß bei lichten Tönen der Näpfchendurchmesser zu klein wird.
Das Gravieren der Näpfchen wird hinsichtlich des apparativen AufwarnJes und der Steuerung der Apparatur wesentlich einfacher, wenn der Energiestrahl während des Gravierens eines vorgegebenen Näpfchens nicht abgelenkt zu werden braucht und wenn man bei allen Näpfchengrößen mit der gleichen Strahlleistung arbeiten kann. Wenn man jedoch, wie es auch z. B. aus der DD-PS 55 965 bekannt ist, die Strahlleistung konstant hält und die unterschiedlichen Abmessungen der Näpfchen nur durch eine entsprechende Steuerung der Einwirkungsdauer erzeugt, so muß vnin in der Praxis hinsichtlich der Strahlparameter Kompromisse schließen, die erhebliche Nachteile mit sich bringen. Vor allem tritt bei kleinen Näpfchen eine starke Gratbildung am Näpfchenrand auf. und der Näpfchengrund wird unregelmäßig, außerdem besteht die Neigung, daß bei lichten Tönen der Näpfchendurchmesser zu klein wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend
die Aufgabe zugrunde, ein Energiestrahl-Gravierverfahren anzugeben, bsi dem unabhängig von der Größe
der verschiedenen Näpfchen eine gleichmäßige Kalottenform
der Näpfchen, ein glatter Näpfchenboden und ein gratfreier Rand gewährleistet sind.
Uiese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 unter Schutz gestellte Verfahren gelöst.
Die durch das Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten näpfchenförmigen Vertiefungen haben unabhängig
von ihrer Größe eine gleichmäßige Kalottenform, einen glatten Boden und einen gratfreien Rand.
Da die Leistung des Energies! raiiles unabhängig von
der Größe der zu erzeugenden Näpfchen ist und daher konstant gehalten werden kann, liefert das vorliegende
Verfahren sehr gut reproduzierbare Ergebnisse und auch bei langer Gravierdauer ist ein konstanter funktioneller
Zusammenhang zwischen dem die Gravieranlage steuernden Tonwertsignal und der Näpfchengröße gewährleistet.
Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfin-
dung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert
Es zeigt
F t g. 1 stark vergrößerte Querschnittsansichten zweier näpfchenförmiger Vertiefungen, die nach einem bekannten
Verfahren hergestellt wurden;
Fig.2 Querschnittsansichten zweier entsprechender
Vertiefungen, die durch das vorliegende Verfahren hergestellt wurden, und
Fig.3 eine vereinfachte Ansicht einer Einrichtung
zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens.
Fig. 1 zeigt zwei Näpfchen 10 und 12, die in der
Oberfläche 14 eines Tiefdruckzylinders mittels eines fokussierten Elektronenstrahls hergestellt wurden. Das
Näpfchen 10 entspricht der Dichte oder dem Tonwert 1,5 während das Näpfchen 12 dem Tonwert 0,05 entsprechen
soll. Bei der Herstellung des Näpfchens 10 wirkte der gravierende Elektronenstrahl in bekannter
Weise länger ein als bei der Herstellung des Näpfchens 12, sonst waren die Strahlparameter bei der Herstellung
der beiden Näpfchen gleich.
Während das Näpfchen 10 zufriedenstellend ist. hat das Näpfchen 12 am Rand einen hochstehenden G.-at 16
und der Boden des Näpfchens ist verhältnismäßig unregelmäßig.
Ähnliche Ergebnisse erhält man auch, wenn man außer der Einwirkungsdauer auch die Strahlintensität
(Strahlleistung) proportional zur Näpfchengröße verändert
Es wurde nun gefunden, daß man die bisher bei kleineren Näpfchen auftretende Gratbildung vermeiden
kann, ohne auf den Vorteil der unabhängig von der Näpfchengröße konstanten Strahlleistung verzichten zu
müssen, wenn man die Fokussierung des gravierenden Energiestrahles so ändert, daß die Fokusebene bei kleineren
Näpfchen näher an der zu gravierenden Oberfläche liegt als bei größeren Näpfchen. Wenn, wie es beim
Gravieren von Tiefdruckformen im allgemeinen der Fall äst, die Näpfchengröße zwischen einer unteren und einer
oberen Grenze liegt wird der Energiestrahl beim Gravieren voi Näpfchen, deren Größe der unteren Grenze
des Größenbereiches entspricht, im wesentlichen in die Oberfläche des zu gravierenden Werkstückes fokussiert
und die Bildebene wird mit zunehmender Näpfchengröße zunehmend weiter in das Innere des Werkstücks verlegt.
Durch diese Maßnahme erhält man, wie es schematisch in Fig.2 dargestellt ist, Näpfchen 10' bzw. 12'
unterschiedlicher Tiefe und unterschiedlichen Durchmessers, die einen glatten Boden haben sowie am Rand
gratfrei sind.
Vorzugsweise wird 'iei der Erzeugung alier Näpfchen
mit Energiestrahlen gearbeitet, die sehr steile Flanken haben. Vorzugsweise soil der auf die Strahlmittelachse
18 (F i g. 2) bezogene Radius r«* bei dem die Strahlenergie
auf 60% des Maximalwertes abgesunken ist, mindestens 0,95 T50 sein, wobei γμ der Radius ist, bei dem die
Strahlenergie auf 50% ihres Maximalwertes abgesunken ist.
Vorzugsweise wird die Energieverteilung in Abhängigkeit von der Näpfchengröße so gesteuert, daß sie bei
größeren Gravurtiefen vom Radius Γβο dom- oder dachartig
zur Strahlachse hin ansteigt, während es bei kiel· ncn Gravurtiefen günstiger ist, wenn die Stromdichte
über die gesamte Fläche des Näpfchens nahezu unverändert bleibt. Beispiele für zweckmäßige Energieverteilungen
sind in F i g. 2 für die Näpfchen 10' und 12' durch die gestrichelten Kurven 20 bzw. 22 dargestellt.
Fig. 3 zeigt eine Hvorzugte Elektronenstrahl-Graviereinrichtung
zur Durchführung des oben erläuterten Verfahrens. Die Einrichtung gemäß F i g. 3 enthält ein
evakuierbares Gehäuse 24. in dem auch das zu gravierende Werkstück, z. B. ein Tiefdruckzylmder 26, angeordnet
ist Das Gehäuse ist in üblicher Weise mit einer nicht dargestellten Vakuumanlage verbunden und enthält
ein nur teilweise und schematisch dargestelltes Strahlerzeugungssystem 28, das einen Elektronenstrahl
30 liefert. Die Beschleunigungsspannung und die Emissionsstromstärke des Elektronenstrahls liegen in üblichen
Bereichen und können z. B. 20 bis 100 kV bzw. 10 bis 100 mA betragen, bevorzugt 50 kV/50 mA. Der am
Werkstück wirksame Strahlstrom beträgt das 0,2- bis 0,8fache des Emissionsstroms, bevorzugt das 03- bis
O^fache. In Strahlrichtung hinter dem Strahlerzeugungssystem
28 befindet sich eine elektrostatische Ablenkanordnung mit zwei Ablenkplatten, durch die der
Strahl aus der gestrichelt gezeichneten axialen Lage, in der er auf das Werkstück auftrifft, in eine abgelenkte,
punktiert gezeichnete Lage abgelenkt werden kann, in der er auf einen Auffänger 34 auftrifft Die Ablenkanordnung
wird durch eine Ablenkschaltung 36 gespeist und gestattet zusammen mit dieser, Jie Einwirkdauer
des Elektronenstrahls auf das Werkstück entsprechend einem der Ablenkschaltung über eine Leitung 38 zugeführten
Steuersignal zu steuern.
Dt.· Elektronenstrahl 30 wird durch eine Hauptfokussierungsspule
40, die mit einer einstellbaren Stromquelle 42 verbunden ist grob fokussiert. Die Feinfokussierung
und Änderung der Fokussierung in Abhängigkeit von der Graviertiefe bzw. den Abmessungen der zu erzeugenden
Näpfchen erfolgt durch eine Hilfsfokussierungsspule 44, weiche mit einer steuerbaren Stromquelle 46
verbunden ist Die Stromquelle 46 ist durch ein Steuersignal steuerbar, das ihr über eine Leitung 48 zugeführt
wird.
Die Steuersignale auf den Leitungen 38 und 48 werden durch eine Steuersignalquelle 50 erzeugt, der als
Eingangssignal ein in bekannter Weise erzeugtes Rasterpunktsignal zugeführt wird.
Vorzugsweise wird der Elektronenstrahl durch die Hauptfokussierungsspule 40 in eine Ebene fokussiert,
die dem Maximalwert oder Minimalwert der Graviertiefe bzw. Näpfchengröße entspricht Der Strom in der
Hilfsfokussierungsspule 44 wird dann in Abhängigkeit vom Rasterpunktsignal so gesteuert, daß sich die oben
erläuterte Beziehung zwischen der Lage der Fokussierungsebene und der Näpfchengröße ergibt Man kann
z. B. den Strahl mittels der Hauptfokussierungsspule 40 in die Ebene 52 fokussieren, die durch den Schnittpunkt
der Strahlachse mit der Werkstückoberfläche geht. Die Steuersignalquel'e 50 wird dann in Verbindung mit der
Stromquelle 46 so ausgelegt, daß diese Fokussierung für die minimale NäpfchengröBe bzw. -tiefe wirksam wird
uno daß die Fokussierungsebenc mit zunehmender Näpfchengröße weiter von der Ebene 52 entfernt wird,
vorzugsweise soll sie dabei in das Werkstück hinein wandern, also sich in Richtung auf den Zustand der Unterfokussierung
ändern.
Die oben erwähnte Änderung der Energieverteilung im Strahlquerschnitt kann durch entsprechende Auslegung
des Linsensystems und der Elektronenstrahlquelle und/oder durch zusätzliche, nicht darpesteliie elektronenoptische
Mittel, wie Stigmatorspulen und dergl. bewirkt werden.
Anstelle eines r.lektronenstrahls kann relbstverständlich
auch einen Ionenstrahl oder einei hl elektromagnetischer
Energie, insbesondere eine.. Laserstrahl,
verwenden. Man kann auch den Elektronenstrahl
30 oder einen anderen Ladungsträgerstrahl mittels der
Haiiptfokussierungsspule 40 umfokussiercn; im allgemeinen
wird es jedoch zweckmäßiger sein, die Änderung der Fokussierung in Abhängigkeit von der Graviertiefe
durch eine getrennte Hilfsfokussierungsspiilc kleiner Induktivität zu bewirken.
Da die Strahlleistung unabhängig von der Graviertiefe
ist, kann man die Strahlspannung und den Strahlstrom in üblicher Weise regeln.
Hierzu I Blatt Zeichnungen
25
60
Claims (6)
1. Energiestrahl-Gravierverfahren zum Erzeugen von Vertiefungen unterschiedlicher Abmessungen in
einer Oberfläche eines Werkstücks, bei welchem Vertiefungen kleinerer bzw. größerer Abmessungen
durch kürzer bzw. länger dauernde Einwirkung eines Energiestrahles vorgegebener, im wesentlichen
konstanter Leistung, der in eine bei der zu gravierenden Oberfläche gelegene Ebene fokussiert ist, erzeugt
werden, dadurch gekennzeichnet, daß außer der Dauer der Einwirkung des Energiestrahles
auf einen vorgegebenen Bereich der zu gravierenden Oberfläche gleichzeitig auch seine Fokussierung
derart gesteuert werden, daß die Fokusebene bei kleineren Vertiefungen näher an der Oberfläche
liegt als bei größeren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
dä& /um Herstellen von näpfchenförmigen
Vertiefungen, deren Durchmesser und Tiefe zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert
liegen, die Fokussierungsebene des Energiestrahles mit zunehmender Näpfchentiefe von einem Ort in
oder in nächster Nähe der Werkstückoberfläche zunehmend weiter in das Innere des Werkstücks verlegt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierung derart gesteuert
wird, daß die Fnergiedichte im Strahlquerschnitt bei kleinerer Gravurtiefe wenigstens annähernd konstant
ist, während sie bei grt-^er Gravurtiefe mit
zunehmendem Abstand von der Strahlachse abnimmt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiedichte bei großer Gravurtiefe
in der Mitte mindestens 15% größer ist als bei der halben Halbwertsbreite (V50)-
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch t mit einer Steuerschaltung, die die
Einwirkdauer des Energiestrahles auf das Werkstück in Abhängigkeit von einem Steuersignal steuert,
gekennzeichnet durch eine durch das Steuersignal zusätzlich gesteuerte Fokussierungseinrichtung
(44,46) für den Energiestrahl.
6. Einrichtung nach Anspruch 5 mit einer Elcktronenstrahlquelle, einer Hauptfokussierungsspule und
einer Hilfsfokussierungsspule für den Elektronenstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung
der Hilfsfokussierungsspule (44) in Abhängigkeit vom Steuersignal steuerbar ist.
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Non-Patent Citations (1)
Title |
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NICHTS-ERMITTELT |
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