DE2848626A1

DE2848626A1 - METHOD FOR PREPARING AN ELECTRON BEAM CANNON

Info

Publication number: DE2848626A1
Application number: DE19782848626
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl Phy Beisswenger
Original assignee: Dr Ing Rudolf Hell GmbH
Current assignee: Dr Ing Rudolf Hell GmbH
Priority date: 1978-11-09
Filing date: 1978-11-09
Publication date: 1980-05-14
Also published as: DD147436A5; NL7908188A; JPS5568194A; FR2441268A1; GB2038084A

Description

Verfahren zur Vorbereitung einer ElektronenstrahlkanoneProcedure for preparing an electron beam gun

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbereitung einer Elektronenstrahlkanone zur Materialbearbeitung, insbesondere zur Gravur von Tiefdruckzylindern. Bei Anlagen zur Materialbearbeitung mittels Elektronenstrahlen ist es oft erwünscht, bei Werkstückwechsel nicht die gesamte evakuierte Elektronenstrahlkanone zu belüften, sondern nur die eigentliche Bearbeitungskammer. Es sind Ausführungsformen bekannt, die dazu zwischen der Bearbeitungskammer und der restlichen Kanone Ventile unterschiedlichster Bauart anordnen, die, über vakuumdichte Durchführungen mechanisch, elektrisch oder pneumatisch betätigt, nach Erreichen Betriebsvakuums in der Bearbeitungskammer nach Werkstückwechsel geöffnet werden, so daß der Elektronenstrahl hindurchtreten kann (DE-AS 1 515 201 und US-PS 3 588 574). Solchen Ventilen haftet neben ihrer komplizierten Konstruktion eine Reihe von Nachteilen an. In der Regel muß der eigentliche Ventilkörper in weichelastischen Dichtungen geführt werden. Diese sind durchweg schlechte Leiter für Elektrizität und Wärme. Das hat zur Folge, daß diese Dichtungen sich durch Elektronen aus der Randstrahlung des Hauptstrahles selbst oder durch Sekundär-Elektronen im Betrieb aufladen. Die elektrischen Felder solcher Aufladungen beeinflussen wiederum in unerwünschterThe present invention relates to a method for preparing an electron beam gun for material processing, especially for engraving gravure cylinders. In systems for material processing using electron beams It is often desirable not to ventilate the entire evacuated electron beam gun when changing the workpiece, but only the actual processing chamber. There are known embodiments that between the processing chamber and the Arrange the remaining cannon valves of various types, which are mechanically and electrically operated via vacuum-tight feedthroughs or pneumatically operated, opened after reaching the operating vacuum in the processing chamber after changing the workpiece, so that the electron beam can pass (DE-AS 1 515 201 and US-PS 3,588,574). Such valves In addition to their complicated construction, there are a number of disadvantages. As a rule, the actual valve body must be guided in flexible seals. These are all poor conductors of electricity and heat. That has As a result, these seals are driven by electrons from the edge radiation of the main beam itself or by secondary electrons charge during operation. The electric fields of such charges, in turn, have an undesirable effect

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Weise den Elektronenstrahl. Weiterhin kann man kaum vermeiden, daß vagabundierende Elektronen den Ventilkörper treffen und erwärmen. Durch die schlechte Wärmeleitung der Dichtungen bildet sich ein Wärmestau, der durch Wärmedehnung zu störenden Verformungen des Ventilkörpers führen kann. Weiterhin ist es kaum möglich zu verhindern, daß der Ventilkörper, besonders auf der dem zu bearbeitenden Werkstück zugekehrten Seite, von Spritzern, Dampf oder Ionen getroffen wird. Solche Niederschläge führen zu Betriebsstörungen.Way the electron beam. Furthermore, one can hardly avoid that stray electrons hit the valve body and heat it up. Due to the poor thermal conductivity of the seals a build-up of heat forms, which can lead to disruptive deformations of the valve body due to thermal expansion. Furthermore it is hardly possible to prevent the valve body, especially on the side facing the workpiece to be machined, from Splashes, steam, or ions. Such precipitation leads to operational disruptions.

Zur Herstellung von Druckformen, insbesondere der Gravur von Tiefdruckzylindern mittels Elektronenstrahlen, werden an die Einrichtungen dazu höhere Anforderungen gestellt als sie für die meisten anderen Elektronenstrahl-Bearbeitungsverfahren (Schweißen, Bohren, Schmelzen usw.) erforderlich sind.For the production of printing forms, in particular the engraving of gravure cylinders by means of electron beams, the Facilities to do this have higher requirements than they are for most other electron beam machining processes (Welding, drilling, melting, etc.) are required.

Bei der Tiefdruckgravur geht es darum, in äußerst genauerGravure engraving is about being extremely precise

2 regulärer Anordnung (Raster) bis zu 10000 Punkten pro cm in schneller Folge in die Druckformoberfläche hineinzuarbeiten, wobei die einzelnen Punkte voneinander getrennte Näpfchen darstellen, deren Volumen, d. h. Tiefe und/oder öffnung, zudem vom darzustellenden Grauwert abhängt.2 regular arrangement (grid) to work into the printing form surface up to 10,000 points per cm in quick succession, the individual points representing separate cells, the volume of which, d. H. Depth and / or opening, moreover from depends on the gray value to be displayed.

Vergegenwärtigt man sich, daß das kleinste Näpfchen eine Tiefe von nur etwa 1 - 2 .u, das größte dagegen von etwa 50 ,u haben muß, daß in diesem Tiefenbereich etwa 120 unterschiedliche Grauwerte dargestellt werden müssen, daß weiterhin etliche zigtausend solcher Näpfchen pro Sekunde herzustellen sind, und daß periodische oder sprunghafte Störungen in der Regu-If one realizes that the smallest cup has a depth of only about 1 - 2 u, while the largest one is about 50 u it has to be that in this depth range about 120 different gray values have to be displayed, that is still quite a few tens of thousands of such cells per second are to be produced, and that periodic or abrupt disturbances in the regulation

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larität der Näpfchenanordnung wegen der Empfindlichkeit des menschlichen Auges gegen solche Störungen unter 1 % liegen müssen, dann erkennt man sofort die Schwierigkeiten gegenüber den einfacheren Bearbeitungsverfahren mit Elektronenstrahlen.The larity of the cell arrangement should be less than 1% due to the sensitivity of the human eye to such disturbances then one immediately recognizes the difficulties compared to the simpler machining processes with electron beams.

Insbesondere an die Elektronenstrahlkanone werden hohe Genauigkeitsforderungen gestellt. Eine solche Kanone besteht in der Regel aus drei hintereinander angeordneten Sektionen, nämlich dem Strahlerzeuger mit Glühkathode, Wehneltelektrode und Anode, dem Strahlführungsteil, der die wesentlichen Elemente zur Formung, Ausblendung, Taktung, Fokussierung und Korrektur des Elektronenstrahles enthält und der Bearbeitungskammer, die mit einem gleitenden und dichtenden Mundstück an den vor der Kanone rotierenden Tiefdruckzylinder angekoppelt ist.In particular, high accuracy requirements are placed on the electron beam gun. One such cannon is usually consisting of three sections arranged one behind the other, namely the beam generator with hot cathode, Wehnelt electrode and anode, the beam guiding part, which contains the essential elements for shaping, masking, timing, focusing and correction of the Contains electron beam and the processing chamber, which is connected to the front of the with a sliding and sealing mouthpiece Cannon is coupled to rotating gravure cylinder.

Ziel einer so komplizierten Graviertechnik ist es, die Forderungen des Druckgewerbes nach schnellerer, besserer, sicherer und umweltfreundlicher Druckformherstellung zu erfüllen.The aim of such a complicated engraving technique is to meet the demands of the printing industry for faster, better, safer and more environmentally friendly printing form production.

Die Druckformgravur mittels Elektronenstrahles übertrifft in diesen Forderungen die bisher üblichen Verfahren, nämlich das der chemischen Ätzung und auch das der mechanisch-elektronischen Gravur.The printing form engraving by means of electron beam exceeds the previously usual methods in these requirements, namely that chemical etching and also mechanical-electronic engraving.

Der technische Fortschritt der Elektronenstrahlgravur kann natürlich nur dann voll genutzt werden, wenn der Vorteil der erheblich verkürzten Gravurzeiten nicht durch lange Rüstzeiten wieder zunichte gemacht wird, und wenn die Sicherheit des Verfahrens so hoch gemacht werden kann, daß die Fehlerquote unter der der heute üblichen Formherstellungsverfahren bleibt.The technical progress of electron beam engraving can Of course, they can only be used to the full if the advantage of the significantly reduced engraving times is not due to long set-up times is again nullified, and if the security of the procedure can be made so high that the error rate remains below that of today's customary mold manufacturing processes.

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Im Zuge der Entwicklung hat es sich gezeigt, daß zur Erfüllung dieser Forderungen eine Reihe grundsätzlicher Maßnahmen nötig ist:In the course of development it has been shown that to fulfillment A number of basic measures are necessary to meet these requirements:

Die hochbelastete Glühkathode muß jeweils nach der Gravur eines Zylinders gewechselt werden. Ein Durchbrennen oder Emissionsschwankungen bei der nachfolgenden Gravur würde zu Ausschuß führen. Es sind Vorrichtungen entwickelt worden, die es ermöglichen, das Auswechseln des Kathodenbändchens und seine genaue Positionierung in etwa 2 Minuten zu erledigen (DE-OS 1 514 782).The highly stressed hot cathode must be changed after each cylinder has been engraved. Burning through or emission fluctuations in the subsequent engraving would be rejected to lead. Devices have been developed which allow the replacement of the cathode ribbon and its precise Positioning to be done in about 2 minutes (DE-OS 1 514 782).

Das abgetragene Material darf sich nur im Bereich der Bearbeitungskammer sammeln. Tröpfchen, Gas und Ionen müssen aus dem Strahlführungsteil und aus dem Strahlerzeuger ferngehalten werden, weil sie dort zu erheblichen Störungen führen. Zumindest muß die Verunreinigung dieser Sektionen so gering bleiben, daß hier im Sinne kurzer Rüstzeiten erst nach etlichen Gravurzyklen Reinigungs- und Wartungsvorgänge erforderlich werden.The removed material may only be in the area of the processing chamber collect. Droplets, gas and ions must be kept away from the beam guide part and from the beam generator because they lead to considerable disruptions there. At least the contamination of these sections must remain so low that Here, in the interests of short set-up times, cleaning and maintenance processes are only required after several engraving cycles.

Den größten Anteil an der Rüstzeit hat das Auswechseln des großen und schweren Druckzylinders und das Reinigen der Bearbeitungskammer vom Materialabtrag. Hierzu muß die Bearbeitungskammer am zylinderseitigen Ende geöffnet werden, wenn in der Maschine kein Zylinder liegt.Replacing the large and heavy printing cylinder and cleaning the press accounts for the largest share of the set-up time Processing chamber from the material removal. For this purpose, the processing chamber must be opened at the end of the cylinder when in there is no cylinder in the machine.

Hinsichtlich des erforderlichen Vakuums haben die einzelnen Kanonensektionen unterschiedliche Forderungen. Im Strahl-With regard to the required vacuum, the individual cannon sections have different requirements. In the beam

-5 Betrieb um 10 r-5 operation at 10 r

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-5 erzeuger müssen für den Betrieb um 10 mbar, im Strahlführungs--5 generators have to be reduced by 10 mbar for operation, in the beam guidance

-4
teil etwa 10 mbar und in der Bearbeitungskaitimer schließlich-4
partly about 10 mbar and finally in the processing tank

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nur ca. 10 mbar herrschen. Diese Räume bepumpt man deshalb separat und trennt sie durch Vakuumdrosseln hinreichend kleiner öffnung, durch die der Elektronenstrahl hindurchtritt.only about 10 mbar prevail. These spaces are therefore pumped separately and are adequately separated by vacuum throttles small opening through which the electron beam passes.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die zur Erfüllung der genannten Forderungen notwendigen Maßnahmen in sich vereinigt.The present invention is based on the object of specifying a method which is used to fulfill the aforementioned Requirements necessary measures combined.

Die Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 genannten Mittel und Verfahrensschritte gelöst.The object is achieved by the means and method steps mentioned in claim 1.

Die Erfindung wird in der Figur näher dargestellt.The invention is shown in more detail in the figure.

Die Figur zeigt schematisch eine Anordnung von Elektronenstrahlkanone und Druckformzylinder.The figure shows schematically an arrangement of electron beam guns and printing forme cylinder.

Eine Elektronenstrahlkanone zur Bearbeitung von Druckformen, insbesondere von Tiefdruckzylindern, besteht, wie bereits erwähnt, normalerweise aus drei hintereinander angeordneten Sektionen, nämlich dem Strahlerzeuger 1 mit Glühkathode 2, Wehneltelektrode 3 und Anode 4, dem Strahlführungsteil 5, der die hier nicht näher beschriebenen Elemente zur Formung, Ausblendung, Taktung, Fokussierung und Korrektur des Elektronenstrahles enthält, und der Bearbeitungskammer 6, die mit einem vakuumdicht gleitenden Mundstück 7 an einen vor der Kanone rotierenden Tiefdruckzylinder 8 angekoppelt ist. Die genannten Sek-An electron beam gun for processing printing forms, in particular of gravure cylinders, as already mentioned, usually consists of three sections arranged one behind the other, namely the beam generator 1 with hot cathode 2, Wehnelt electrode 3 and anode 4, the beam guide part 5, which the Elements not described here for shaping, masking, timing, focusing and correction of the electron beam contains, and the processing chamber 6, which with a vacuum-tight sliding mouthpiece 7 to a rotating in front of the cannon Gravure cylinder 8 is coupled. The mentioned sec-

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tionen der Elektronenstrahlkanone erfordern für den Betrieb unterschiedliche Vakua. Der Strahlerzeuger 1 stellt mit ca. 10 mbar die höchsten Forderungen. Der Strahlführungsteil 5electron beam gun functions require different vacuums to operate. The jet generator 1 provides approx. 10 mbar the highest requirements. The beam guiding part 5

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benötigt etwa 10 mbar und die Bearbeitungskammer nur ca.-4
requires about 10 mbar and the processing chamber only approx.

10 mbar. Die einzelnen Sektionen werden deshalb separat mit den Vakuumpumpen 9; 10; 11 evakuiert und müssen im Inneren durch Vakuumdrosseln möglichst geringer Öffnung voneinander getrennt werden. Zwischen Strahlerzeuger 1 und Strahlführungsteil 5 ist die Anode 4 als Vakuumdrossel ausgebildet. Für den praktischen Betrieb ist es erforderlich, die Kathode 2 jeweils nach der Gravur eines Zylinders auszuwechseln. Während des Wechsels der Kathode 2 nach einer Gravur wird nach öffnen des zylinderseitigen Mundstückdeckels 12 der Bearbeitungskammer 6 in die Trennwand 13 zwis.chen Bearbeitungskammer 6 und Strahlführungsteil 5 gemäß der Erfindung eine Folie 14 etwa aus dünnem Kupferblech vakuumdicht angebracht. Vorteil dieser Anordnung ist, daß Strahlerzeuger 1 und Strahlführungsteil 5, die die höheren Vakuumforderungen stellen, unmittelbar nach Kathodenwechsel mittels ihrer separaten Vakuumpumpen 9 und 10 bereits für die nächste Gravur wieder evakuiert werden können. Nach Erreichen des Betriebsvakuums wird bei geöffneter Bearbeitungskammer 6 bereits die Kathode 2 wieder beheizt und die Hochspannung angelegt. Geschieht die Strahlsteuerung beispielsweise durch ein Ausblendsystem 15, das den Elektronenstrahl in den Taktpausen nicht ausschaltet, sondern ihn innerhalb des Strahlführungsteils 5 in einen gekühlten "Strahlsumpf" leitet, dann wird der Elektronenstrahl sogar bereits bei geöffneter Bearbeitungskammer 6 mit voller Leistung eingeschaltet. Dadurch10 mbar. The individual sections are therefore separately with the vacuum pumps 9; 10; 11 evacuated and need inside be separated from each other by vacuum throttles with the smallest possible opening. Between the beam generator 1 and the beam guiding part 5, the anode 4 is designed as a vacuum throttle. For practical operation, it is necessary for the cathode 2 each to be exchanged after engraving a cylinder. During the change of the cathode 2 after an engraving, after opening the cylinder-side mouthpiece cover 12 of the processing chamber 6 into the partition 13 between the processing chamber 6 and the beam guiding part 5, according to the invention, a film 14 made of thin sheet copper, for example, is attached in a vacuum-tight manner. Advantage of this The arrangement is that the beam generator 1 and beam guiding part 5, which make the higher vacuum requirements, immediately follow Cathode change can already be evacuated again for the next engraving by means of their separate vacuum pumps 9 and 10. After reaching the operating vacuum with the processing chamber 6 open, the cathode 2 is heated again and the High voltage applied. If the beam control takes place, for example, by a masking system 15 that the electron beam in does not switch off the cycle pauses, but instead directs it within the beam guiding part 5 into a cooled "beam sump", then the electron beam is switched on with full power even when the processing chamber 6 is open. Through this

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ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

ergibt sich der große Vorteil, daß sich in den beiden bereits evakuierten kritischen Sektionen der Elektronenstrahlkanone schon während der verhältnismäßig langen Zeit des Zylinderwechsels und der Reinigung der Bearbeitungskammer 6 stabile Bedingungen in bezug auf thermisches und elektrisches Gleichgewicht einstellen. Der Vorteil liegt also nicht nur in der Einsparung an Rüstzeit, sondern durch das geschilderte Vorgehen werden darüber hinaus Drift-Erscheinungen bei Gravierbeginn mit Sicherheit vermieden.there is the great advantage that the electron beam gun is located in the two critical sections that have already been evacuated stable conditions even during the relatively long time of the cylinder change and the cleaning of the processing chamber 6 adjust in relation to thermal and electrical equilibrium. So the advantage is not just in the savings set-up time, but due to the procedure described, there are also drift phenomena at the start of engraving Avoided security.

Nach Reinigung der Bearbeitungskammer 6 und Einlegen eines neuen Zylinders 8, der das Mundstück 7 der Bearbeitungskammer verschließt, wird diese durch die zugehörige Vakuumpumpe 11 auf ihren Arbeitsdruck evakuiert, was verhältnismäßig schnell geht. Erfindungsgemäß lenkt man jetzt durch Einschalten des Elektronenstrahles bzw. durch entsprechende Ansteuerung des Ausblendsystems 15, den Elektronenstrahl in seine Arbeitsstellung auf den Zylinder 8 hin. Erfindungsgemäß erzeugt er in der Verschlußfolie 14 ein Loch, wodurch der Strahlweg zum Zylinder 8 für dessen Gravur freigegeben wird. Außer den oben bereits erwähnten Vorteilen der Zeitersparnis beim Zylinderwechsel und der Stabilisierung der Verhältnisse in Strahlerzeuger 1 und Strahlführung 5, werden durch dieses Vorgehen auch die übrigen der o. g. Forderungen in vorteilhafter Weise erfüllt: Das Loch, das der Elektronenstrahl in der Folie 14 erzeugt, stellt eine optimal dinmensionierte Blende für den Strahl dar, welche abgetragenen Materieteilchen, Tröpfchen, Gas und Ionen den Weg in das Innere der oberen KanonensektionenAfter cleaning the processing chamber 6 and inserting a new cylinder 8, the mouthpiece 7 of the processing chamber closes, this is opened by the associated vacuum pump 11 their working pressure evacuated, which is relatively quick. According to the invention you now steer by switching on the Electron beam or by appropriate control of the masking system 15, the electron beam in its working position towards cylinder 8. According to the invention it creates a hole in the closure film 14, whereby the beam path to the Cylinder 8 is released for the engraving. In addition to the advantages of saving time when changing cylinders, as mentioned above and the stabilization of the conditions in beam generator 1 and beam guide 5 are achieved by this procedure also the rest of the above Requirements met in an advantageous manner: The hole that the electron beam in the foil 14 generated, represents an optimally dimensioned aperture for the jet, which removed matter particles, droplets, gas and ions make their way into the interior of the upper cannon sections

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verwehrt. Die Zentrierung dieser Blende in bezug auf den Strahl ist automatisch optimiert. Jegliche mechanische Blendenzentrierung entfällt. Ein weiterer Vorteil ist es, daß dieses Loch gleichzeitig als optimal dimenrionierte Vakuumdrossel zwischen Bearbeitungskairaner 6 und Strahlführungsteil 5 wirkt, weil sich automatisch der kleinstmögliche Drosseldurchmesser ergibt. In vorteilhafter Weise läßt sich durch entsprechende Taktung des Strahles und/oder leichtes Defokussieren erreichen, daß beim Perforieren der Folie 14 auf dem Zylinder 8 noch keine ungewollte Wirkung entsteht. Versuche haben gezeigt, daß dies sogar bei ruhendem Zylinder 8 erreichbar ist, weil bei kurzen Schußtakten und langen Taktpausen der Zylinder 8 die Wärme vom Auftreffpunkt wegleiten kann. Die Folie 14 hingegen leitet, selbst wenn sie aus gut wärmeleitendem Material besteht, die Wärme wegen ihrer geringen Stärke nicht weg und wird exakt mit dem Durchmesser, den der Strahl am Blendenort hat, perforiert. Die Folie 14 bildet man vorteilhafterweise als billiges und rasch tauschbares Verschleißteil aus. Bei entsprechender Dimensionierung dauert der gesamte Vorgang des Perforierens nur einige ms. Eine entsprechende Steuerung kann diesen Vorgang leicht automatisch vor Gravurstart ablaufen lassen.denied. The centering of this diaphragm with respect to the beam is automatically optimized. Any mechanical Orifice centering is not required. Another advantage is that this hole doubles as an optimally dimensioned vacuum throttle between the processing Kairaner 6 and beam guiding part 5 acts because the smallest possible throttle diameter is automatically results. In an advantageous manner, appropriate timing of the beam and / or slight defocusing can be achieved achieve that when the film 14 is perforated on the cylinder 8, no undesired effect arises. Tests have shown that this can even be achieved when the cylinder 8 is at rest, because with short firing cycles and long cycle pauses of the cylinder 8 the Can conduct heat away from the point of impact. The film 14, however Even if it is made of a material that conducts heat well, it does not dissipate the heat because of its low thickness and is precise perforated with the diameter of the beam at the diaphragm location. The film 14 is advantageously formed as cheap and quickly replaceable wear part. If the dimensions are appropriate, the entire perforation process takes place only a few ms. A corresponding control can easily run this process automatically before the start of the engraving.

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Claims

Patent claims

ΓΐJ Method for preparing an electron beam gun for material processing, in particular for. Engraving of gravure cylinders, characterized in that an easily exchangeable foil 14 is arranged between the beam guide part 5 and the processing chamber 6 of the electron beam gun at the beginning of the engraving pauses, so that this foil seals the mentioned sections of the gun in a vacuum-tight manner, whereby the beam generator 1 and beam guide 5 immediately after any necessary change the cathode can be evacuated again and put into operation, that the opened processing chamber 6 is cleaned and the cylinder 8 is changed to the new engraving, that after inserting the new cylinder 8 and coupling the working chamber 6 by means of the mouthpiece 7 to this, the processing chamber 6 is evacuated separately is that after reaching the operating vacuum in the processing chamber 6, the electron beam is directed in its working direction that it perforates the film 14, that thereby between the processing chamber 6 and beam guide 5 an optimally dimensioned and centered and a vac uumdrossel forming aperture is created.

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2. The method according to claim 1, characterized in that the beam intensity and / or its focus position is controlled so that no undesirable effect arises on the printing cylinder 8.

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