NO331670B1 - Overflatemodifisering - Google Patents

Abstract

En fremgangsmåte for bearbeiding av et arbeidsstykke går ut på at det frembringes relativ bevegelse mellom arbeidsstykket og en effektstråle i en tverrretning for derved å frilegge en rekke behandlingssteder på arbeidsstykket for effektstrålen. På hvert behandlingssted bringes effektstrålen til å beveges i forhold til arbeidsstykket på en forutbestemt måte med en komponent på tvers av tverretningen, hvorved materialet i arbeidsstykket nedsmeltes og forskyves ved hjelp av effektstrålen slik at det dannes et hulrom eller et hull.

Description

OVERFLATEMODIFISERING

Denne oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte for å bearbeide et arbeidsstykke, f.eks. for det formål å modifisere eller bearbeide overflatetopografien på et arbeidsstykke eller utgangsmateriale i den hensikt å øke materialets friksjonsgrad eller dens mekaniske sammenlåsing med et annet materiale eller legeme, eller for å danne hull i arbeidsstykket.

Forskjellige fremgangsmåter er blitt brukt for å øke overflateruheten på materialer som er blitt gjort forholdsvis glatte ved maskinbearbeiding, polering, utforming mot et flatt formingsstykke og så videre. Disse ruhetsdannende fremgangsmåter omfatter overflatedeformasjon ved hjelp av mekaniske midler, slik som ved rif-ling eller krusning, eller ved hjelp av kjemiske midler slik som for etsing.

Alternativt er materialet blitt lagt til langs materialets overflate ved hjelp av

f.eks. lysbuesveising med en forbrukbar sveisetråd. Ved et visst utførelseseksem-pel er små metalldråper blitt avsatt på en metalloverflate under bruk av en prosess med gass/metall-lysbue (GMA) fra den forbrukbare elektrode idet strømmen mod-elleres slik at smeltedråpene frigjøres fra den nedsmeltende trådelektrode innbyrdes atskilt og på regelmessig måte. Disse dråper tjener da som uthevede ujevn-heter på det ellers forholdsvis glatte utgangsmaterials overflate, og er da blitt brukt for å redusere tendensen til glidning mellom utgangsmaterialet og et annet legeme.

EP-A-0626228 beskriver en fremgangsmåte for å modifisere overflaten av et arbeidsstykke som skal sammenføyes med et annet legeme og som går ut på å utsette en rekke steder på arbeidsstykkets overflate for en effektstråle slik at materialet i arbeidsstykket nedsmeltes på hvert slikt sted som atskilles lateralt under påvirkning fra effektstrålen og derpå tillates å størkne slik at det dannes et hulrom omgitt av et område av størknet materiale som rager ut i forhold til de inntilliggende deler av arbeidsstykkets overflate og har en tilbakevendende profil.

I henhold til et første aspekt ved oppfinnelsen er det frembrakt en fremgangsmåte for å bearbeide eller modifisere overflaten til et arbeidsstykke, der fremgangsmåten går ut på å frembringe relativ bevegelse mellom arbeidsstykket og en effektstråle i en tverretning for derved å frilegge en rekke bearbeidingssteder på arbeidsstykket for effektstrålen, kjennetegnet ved at effektstrålen på hvert behandlingssted bringes til å beveges i flere retninger i forhold til arbeidsstykket i samsvar med et forutbestemt bevegelsesmønster, slik at materialet i arbeidsstyk ket på hvert behandlingssted smeltes ned og forskyves av effektstrålen slik at det dannes et hulrom eller et hull.

Den avanserte tekstureringsteknikk som kreves beskyttet her avviker funda-mentalt fra den tidligere kjente og anvendte fremgangsmåte. I denne avanserte form bringes effektstrålen spesifikt til å bevege seg (bli manipulert) på en forut bestemt måte på hvert behandlingssted, i stedet for å forholde seg statisk. Effektstrålen kan pulses slik at den bringes til å påvirke hvert behandlingssted, skjønt den fortrinnsvis er kontinuerlig. De typiske relativt små, høyfrekvente "sekundæravbøy-nings"-bevegelser for strålen på hvert behandlingssted har den virkning at den på markert måte forandrer omfordelingen av det smeltede materiale som frembringes på hvert behandlingssted. Generelt er strålens bevegelse forut bestemt ut i fra et innledende prosesstrinn som går ut på å velge det ønskede bevegelsesmønster.

Oppfinnelsen kan utnyttes for å danne hulrom i arbeidsstykkets overflate eller for å frembringe hull, som da typisk strekker seg gjennom hele arbeidsstykket. Dannelsen av et hull kan utføres med eller uten et bakenforliggende substrat. Når et hulrom eller et hull skal dannes, finner videre det prosesstrinn som går ut på å bringe strålen til bevegelse på den forut bestemte måte sted etter at vedkommende hulrom eller hull er blitt dannet. Dette gjør det mulig å nøyaktig bestemme formen av vedkommende hulrom eller hull. I mange tilfeller kan også et manipuler-ingstrinn brukes under dannelsen av hulrommet eller hullet, slik at diameteren av hulrommet eller hullet vil overskride strålens diameter.

Sekundæravbøyningen finner fortrinnsvis sted ved en slik frekvens at minst ett fullstendig bevegelsesmønster gjentas (eller i det minste bevegelsesretningen vendes om) på hvert sted, og fortrinnsvis et helt antall gjentatte bevegelsesmøns-tre utføres på hvert behandlingssted. For 1000 hull pr. sekund i stål, vil en sekun-dærfrekvens på omtrent 1000 Hz, 2000 Hz eller 3000 Hz være hensiktsmessig. I dette tilfelle vil hulrommene ha dybde og bredde på ca. 0,5 mm med innbyrdes mellomrom på 0,7 mm. Høyere sekundærfrekvenser kan være påkrevet ved hulrom med mindre diameter, og de foreliggende materialegenskaper vil også påvirke den optimale frekvens.

Den "sekundære avbøyning" som anvendes kan anta forskjellige former, innbefattet sirkulær, lineær, ellipsoid form og/eller bevegelser i form av enkle geo-metriske figurer. Sekundæravbøyningen kan også kombineres med andre egnede variasjoner av tidsbestemte eller rombestemte effektdensitetsfordelinger (f.eks. pulsmodulering av stålestrømmen og/eller variasjon av strålens fokuseringsposi-sjon) for å oppnå den ønskede virkning og tillate finere regulering av formasjons-prosessen for vedkommende hulrom eller hull.

Vanligvis blir varigheten av strålens påvirkning anslagsfullt regulert slik at den sekundære stråleavbøyning i sin helhet utføres på hvert behandlingssted, hvilket vil si at den sekundære og den primære strålebevegelse er korrekt faseinn-stilt i forhold til hverandre slik at tekstureringsvirkningen er reproduserbar og ikke varierer på en ikke-systematisk måte.

Når det gjelder hulromsdannelse kan egnede utragende partier eller for-senkninger med lukkede tilbakevendingsprofiler kunne genereres på den ellers forholdsvis glatte materialoverflate på utgangsmaterialet ved rask nedsmelting av små lokaliserte områder ved hjelp av en (typisk fokusert) effektstråle, slik som en elektronstråle som slår an mot arbeidsmaterialet. Strålen med høy effekttetthet blir raskt forflyttet fra punkt til punkt for å frembringe en rekke slike utragende uregel-messigheter. I tett fordeling av slike fremspring kan en halvkontinuerlig linje eller fremspringende kant frembringes. Det bør bemerkes at det utragende materiale skriver seg fra nedsmelting og forskyvning av slik smeltet materiale, slik at det derved etterlates et lite hulrom i utgangsmaterialet. En viss materialandel kan gå tapt ved fordampning under påvirkning fra den påførte stråles høye effektdensitet.

Når et arbeidsstykke som er påført hulrom bringes i anlegg mot et annet legeme, vil både hulrommet og det utragende fremspring bidra til mekanisk sammenlåsing.

Vedhefting til teksturerte overflater på materialer ut i fra dampfasen blir da også modifisert og forbedret.

Gjeninnløpsprofilen vil videre øke de mekaniske krefter som kreves for å separere arbeidsstykket fra eller bringe dette til å gli over et annet legeme.

Tilbakeløpsprofilen er gunstig når det f.eks. gjelder å holde tilbake et klebemiddel, og spesielt da et klebemiddel som ikke i seg selv danner binding til utgangsmaterialet, eller bare danner bindinger med lav styrke. Alternativt kan bind-ingsstyrken mellom et ikke-heftende materiale, f.eks. et lavfriksjonspolymer, og ut- gangsmaterialets overflate økes i vesentlig grad ved tilbakevendingsprofilens sammenlåsingsevne.

I tillegg blir den behandlede overflate hovedsakelig rensket og frigjort fra eventuelle mindre forurensninger ved påvirkningen fra strålen, og dette vil da øke den bindingsstyrke som oppnås ved hjelp av en hvilken som helst påfølgende kle-bende bindingsprosess.

I det tilfelle en rekke innbyrdes inntilliggende fremspring danner en halvkontinuerlig utragende kant, har denne fremspringskant fortrinnsvis også en profil som løper tilbake i seg selv.

For det formål å øke den totale bindingsstyrke for et klebemiddel, bør det også bemerkes at vedkommende klebemiddel fortrinns også trenger ned i hulrommet så vel som på fremspringets lukkede overflate slik at derved bindingens skjærstyrke økes.

Overflatetopografien utnytter fortrinnsvis det eksisterende utgangsmateriale på en slik måte at intet tilleggsmateriale avsettes på utgangsmaterialet. Denne teknikk som går ut på å forandre overflatetopografien går ut på å utnytte nedsmeltning/ fordampnings-evnen for en effektstråle eller en varmekilde med høy effektdensitet som typisk bringes til å fokuseres på det overflateområde som skal be-arbeides.

En del av den tilsiktede bevegelse på forut fastlagt måte bringer fortrinnsvis et område inntil behandlingsstedet til å oppvarmes. Et slikt område kan omslutte vedkommende fastlagte behandlingssted eller kan utgjøre et annet område. De inntilliggende områder kan oppvarmes enten før eller etter dannelsen av vedkommende hulrom eller hull, for derved å frembringe henholdsvis en forforming eller etterforming av varmebehandlingsområdet. Arbeidsstykkets overflate kan innenfor de tilstøtende områder enten oppvarmes til under eller over deres smeltepunkt.

Formen av den forut fastlagte bevegelse på behandlingsstedet kan være av lignende art som en del av den forut bestemte bevegelse som finner sted på det inntilliggende område. Disse vil imidlertid vanligvis ha forskjellig form, idet f.eks. den angitte del av den forut bestemte bevegelse kan anta en rasterform. I henhold til et annet eksempel kan det område som omgir et hulrom bli oppvarmet av en sirkelformet bevegelse av strålen. Typisk vil oppvarmingsandelen av den forut bestemte bevegelse oppta omkring 30% av den tid som strålen bruker på et behandlingssted.

Oppvarmingen av et inntilliggende område vil være fordelaktig ut i fra det

forhold at den kan brukes for å regulere materialets nedkjølingstakt og ved at den frembringer forbedret vedhefting av smeltet materiale til arbeidsstykkets overflate. Foroppvarming gjør det også mulig å oppnå bedre synkronisering mellom strålens bevegelser i henholdsvis tversgående og skråttløpende retning.

Behandlingsstedene befinner seg typisk i en slik avstand fra hverandre at det materiale som forskyves fra inntilliggende områder befinner seg i innbyrdes kontakt. Tidsstyringen av strålebevegelsene blir også fortrinnsvis regulert slik at materialet fra de inntilliggende områder fortsatt er smeltet og løper sammen under slik kontakt. Denne koalescens gjør det mulig å oppnå større områder av former og størrelser ved et tilbakeløpende gjentakelsesforhold, da disse forhold er avhengig av overflatespenningskrefter inne i det utstøtte materiale og temperaturforhold-ene (nedkjølingshastigheten). Den sekundære avbøyning av strålen blir derfor brukt til å regulere materialutstøtningen, mens for/etter-varmebehandlingen kan anvendes for å regulere nedkjølingshastigheten.

I et eksempel på foretrukket utførelse omfatter effektstrålen en elektronstråle. Denne vil vanligvis være fembrakt på vanlig måte ved bruk av en vanlig elektronkanon, hvor da strålen beveges tvers over arbeidsstykket under datamas-kinstyring ved bruk av en teknikk av lignende art som beskrevet i US-A-5151571 som herved tas inn her som referanse. Vanligvis er strålens effekt og bevegelseshastighet slik at mer enn 500 hulrom kan dannes pr. sekund, fortrinnsvis opp til

580 eller flere hulrom pr. sekund. Den relative bevegelseshastighet mellom strålen og arbeidsstykket er da typisk opp til 1 km/s mens overgangstiden mellom hulrommene vanligvis er 1/100 av oppholdstiden ved hvert hulrom. Elektronstrålens toppeffektdensitet ligger typisk i området 10<5->10<7>W/mm<2>.

Hulrommet er blitt laget innenfor et visst område av hastigheter og størrel-ser. Den langsomste hastighet ligger da godt under 400/sekund og det foreligger ingen praktisk øvre grense for denne hastighet, idet f.eks. 10000/sekund kan oppnås for visse materialer, og mer enn dette er sikkert mulig.

Strålens form kan være av viktighet og fortrinnsvis er strømmen i strålens ringformede omkrets i det minste halvparten av strømmen i strålens midtparti, og helst i det minste lik strømmen i midten av strålen, alt avhengig av det foreliggende utgangsmateriale og den ujevnhetstype som ønskes.

I andre anvendelser kan andre effektstråler anvendes, f.eks. i form av en laser. Med en laser vil vanligvis en litt høyere nettoenergi være påkrevet pr. hulrom sammenlignet med forholdene ved en elektronstråle, på grunn av at det foreligger en redusert koplingseffektivitet med arbeidsstykket. Aktuelle laserpulsvarig-heter kan være kortere enn ved elektronstråler, og tilsvarende kan toppenergidensiteten være litt høyere. Kaviteter av lignende størrelser kan frembringes i en takt på 20 pr. sekund ved bruk av en pulset C02-laser med 300W utgangseffekt, og som da avgir omkring 15 joul pr. hulrom.

Det er potensielt mulig å frembringe hulrom eller hull med hvilke som helst

størrelse, f.eks. i området fra slike med diameter- og dybdemål av størrelsesorden millimeter til slike med tilsvarende mål mindre enn 10 mikrometer. Minstediamete-ren av hvert hulrom/hull er bestemt av strålediameteren, mens større diametre kan oppnås ved bruk av en stor strålediameter samt hensiktsmessig sekundæravbøyn-ing. Typisk har hullene eller hulrommene en maksimaldiameter på hovedsakelig 0,6 mm og en dybde i området 0,6-1 mm. I det foretrukne tilfelle er mellomrommene mellom de forskjellige hulrom eller hull omkring 1 mm.

De dimensjoner av hvert hulrom eller hull som er angitt ovenfor vil kunne re-duseres ved tilførsel av nedsmeltbart materiale som frembringer et lukket tilbake-løpsforhold.

I visse tilfeller kan hulrommene eller hullene ha hovedsakelig likeartet form og kan da anordnes i et enten kvadratisk eller tettpakket arrangement. Hulrom eller hull av variabel størrelse kan imidlertid også frembringes, hvilket også gjør det mulig å danne andre hulromsmønstre.

I visse tilfeller kan teksturer som inneholder lukket tilbakeløp og ikke-lukket tilbakeløp kombineres med fremstilling av gjennomgående hull i stedet for blindhull. Forskjellen mellom den foreliggende og den kjente teknikk for EB-utboring ligger i at den foreliggende prosess er basert på dens regulerte forskyvning av en del av eller hele det smeltede materiale i stedet for dets fullstendige fjerning som ved klassisk EB-utboring. Reguleringen og utførelsen av denne prosess vil da ligge i den sekundære stråleavbøyning, for derved å regulere tidsforløpet under og gra-den av bølgens gjennomtrengning gjennom vedkommende materiale. Delvis mate-rialutstøtning etter gjennomtrengning vil kunne finne sted, ved bruk av et flyktig oppbakkingsmateriale på normal måte, etterfulgt av en regulert nedsmeltning av forskyvning av periferisk materiale for å frembringe den ønskede profilkant.

Typisk kan arbeidsstykket utgjøres av et hvilket som helst metall eller annet materiale som kan nedsmeltes eller bringes til fordampning ved hjelp av effektstrålen. Et eksempel er da stål. Ikke-metaller kan også behandles selv om det ikke er elektrisk ledende. Lukkede tilbakeløpsformer kan således frembringes på kera-mikkmaterialer, slik som kvarts og aluminiumoksid, glassorter, polymerer og sam-mensatte materialer. Mekanismen er hele tiden den samme, bortsett fra for visse polymerer, hvor mer av materialet fordampes.

I et andre aspekt tilveiebringer foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for sammenføyning av et arbeidsstykke med et annet legeme, kjennetegnet ved at fremgangsmåten går ut på å modifisere arbeidsstykkets overflate ved bruk av en fremgangsmåte i henhold til et første aspekt av foreliggende oppfinnelse, for derved å danne én eller flere hulrom i arbeidsstykkets overflate, samt vedhefting av det andre legeme til arbeidsstykkets behandlede overflate.

Denne fremgangsmåte kan benyttes i et antall anvendelser. Spesielt kan det andre legeme bestå av et hvilket som helst polymer eller annet materiale som med hell kan påføres ved hjelp av en hvilken som helst kombinasjon av trykk, varme eller kjemisk reaksjon inn på hulrommene i et valgt substrat eller arbeidsstykke. Det andre legeme kan f.eks. omfatte ett av følgende materialer, nemlig nylon, PTFE, PMMA, aluminium eller dets legeringer, fenolharpikser og magnesium samt dets legeringer.

Eksempler på viktige anvendelser av oppfinnelsen omfatter vedhefting av bremseklosser på klossenes bakvegger, binding av lavfriksjonspolymerer til korro-sjonsbestandige metaller for fremstilling av proteseinnretninger, f.eks. hofteledd etc, binding av gummi til stål eller andre metaller, f.eks. for fremstilling av støtab-sorberende buffere og binding av aluminium til stål eller støpejern, f.eks. for fremstilling av lettvekts bremseskiver.

Visse eksempler å fremgangsmåter i henhold til oppfinnelsen vil nå bli beskrevet under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: fig. 1a-1h viser påfølgende prosesstrinn ved dannelse av et hulrom med gjentakelsestrekk,

fig. 2A-2C viser tre forskjellige arrangementer av hulrom,

fig. 3 viser et eksempel på en vektdensitetsfordeling i en elektronstråle,

fig. 4 viser skjematisk utstyr for utførelse av fremgangsmåten,

fig. 5 viser en del av et andre utførelseseksempel av utstyr for utførelse av fremgangsmåten,

fig. 6 viser utstyret i fig. 5 mer detaljert,

fig. 7 viser et asymmetrisk gjennomtrengende hull,

fig. 8a-8e viser påfølgende prosesstrinn for dannelse av et gjennomgående hull ved bruk av et bakenforliggende substrat,

fig. 9a-9e anskueliggjør påfølgende prosesstrinn ved dannelse av et gjennomgående hull uten bakenforliggende substrat,

fig. 10 viser en sammenstilling av relative strålebevegelser,

fig. 11a viser en sirkulær foroppvarmingsbehandling av et behandlingssted,

fig. 11 b viser en rasterformet foroppvarmingsbehandling av et inntilliggende behandlingssted,

fig. 11c viser en sirkulær etteroppvarmingsbehandling av et inntilliggende behandlingssted, og

fig. 11 d viser en lineær foroppvarmingsbehandling av et område mellom behandlingssteder.

Figurene 1a-1h anskueliggjør påfølgende prosesstrinn ved dannelse av et hulrom med gjentatt tilbakeløpende overflatesærtrekk. Ved begynnelsen vil en

elektron- eller laserstråle 1 treffe et substrat slik som et stålarbeidsstykke 2. Deretter vil (fig. 1b) et dampfylt hulrom 3 begynne å dannes idet smeltet materiale 4 forskyves sideveis utover. Etter ytterligere strålebehandling vil mer smeltet materiale 4 bli forskjøvet og strålen blir avbøyd til å danne en utvidet smeltesone 5 på den behandlede overflate (fig.1c). Strålen 1 blir ytterligere avbøyd (fig. 1d), slik at mer smeltet materiale 4 bringes til å danne en utvidet smeltematerialsone på overflaten.

Avbøyningen kan anta mange forskjellige former, slik som angitt i fig. 1e og 1f. Den vil typisk følge en lukket bevegelsesbane og vil bli gjentatt et antall ganger.

Strålen 1 vil så bevege seg til et andre behandlingssted og begynne å ut-forme et andre hulrom 3' (fig. 1g) og derved forskyve ytterligere smeltet materiale 4'. Dette ytterligere smeltemateriale fig. 4' vil da overlappe det tidligere materiale i en tilstøtende sone 5 og derpå størkne til å danne en halvkulelignende profil under påvirkning fra overflatespenningskreftene, slik som angitt ved 6 i fig. 1h og derved danne det lukkede tilbakeløpsområde 7.

Vanligvis vil hvert hulrom ha samme utførelsesmønster og utforming og hulrommene kan da være anordnet som vist i fig. 2A (kvadratisk) eller 2B (tettpakket). Det er imidlertid ikke vesentlig at hulrommene skal ha samme størrelse, og som vist i fig. 2C, ha mange forskjellige størrelser som gjør det mulig å oppnå et møns-ter med høyere densitet.

Typiske parametere for elektronstrålen er som følger:

For teksturering på stål med en stråle på 140 kV akselerasjonspotensiale og 42mA strålestrøm, hvilket gir en effekt på ca. 5,8 kV, vil strålen være fokusert til en diameter på ca. 0,4 mm og vil da danne ca. 580 hull pr. sekund i arbeidsstykket. Eksempler på egnede avbøyningsfrekvenser er angitt ovenfor. I dette tilfelle vil toppdensitet for stråleeffekten være i området 10<5->10<7>W/mm<2>. Hvert hull vil bli dannet med en energi på ca. 10 joul i løpet av ca. 1,7 ms. Overgangstiden for strålen fra én hullposisjon til den neste er typisk 1/100 av oppholdstiden i hullposisjo-nen, hvilket i dette tilfelle vil være ca. 17us. Da strålen vil bevege seg med hastigheter av størrelsesorden ca. 1 km/s over arbeidsstykkets overflate, behøver den ikke å slås av eller gis nedsatt effekt under overgangen, da ingen overflatesmelt-ing eller annen skade sannsynligvis vil opptre ved disse avsøkningshastigheter i noe tilfelle.

I stål, vil de hulrom som frembringes med 10 joul ha en dybde på ca.

0,6 mm under den opprinnelige overflate. Disse dimensjoner vil bli redusert i hvert hulrom ved inntrengning av nedsmeltet materiale, slik at de lukkede tilbakevend-ingsforhold oppnås. Mellomrommet mellom hulrommene vil typisk være ca. 1 mm.

Lignende hulrom kan dannes ved hjelp av lasere, og en litt høyere nettoenergi vil da typisk være påkrevet pr. hulrom, ut i fra den foreliggende reduserte koplingseffektivitet til substratet. De faktiske varigheter av laserpulsene kan være kortere enn en elektronstråle, og tilsvarende vil da toppenergidensiteten være litt høy-ere. Hulrom av lignende størrelse kan da fremstilles i en takt på 20 pr. sekund ved bruk av en pulset C02-laser med midlere utgangseffekt på 300W hvilket da gir ca.

15 joul pr. hulrom.

I det foretrukne utførelseseksempel vil effektfordelingen over elektronstrålen 1 ha en form av lignende art som vist i fig. 3, som da er basert på en 5 kW elektronstråle. Det vil således være en forholdsvis høy toppeffektdensitet i midten med en diameter på omkring 0,6 mm, men ved en betydelig effekt i kantområdet. Strålens bredde ved halv maksimal effekttetthet er da 0,25-0,3 mm.

Når det gjelder en elektronstråle kan mange forskjellige typer elektronstråle-kanoner anvendes for å generere strålen. I en typisk elektronkanon, blir en katode av ildfast metall oppvarmet til ca. 2000 °C i et vakuum på 10"<5>til 10"6 mbar. Et pot-ensial på 30-150 kV akselererer strålen gjennom en hul anode. I en triodekanon blir strålestrømmen regulert ved hjelp av en tredje "forspennings" eller "Welnhelt"-elektrode. I en diodekanon blir strålestrømmen regulert ved katodetemperaturen alene.

Strålen passerer gjennom et system av magnetiske linser etc. som kan omfatte en magnetfelle (en innretning som kan beskytte kanonen mot tilførsel av uønsket materiale), samt avbøyningsspoler som kan styre strålen med høy hastighet. Strålens arbeidsomgivelser kan være et vakuum av så liten verdi som 10"<1>mbar, men typisk 5 x 10"<3>mbar. Vakuumnivået har en virkning på strålens kva-litet og intensitet.

Katodene kan enten være direkte oppvarmet eller ha indirekte oppvarming. Direkte oppvarmede katoder må utskiftes med tidsmellomrom på (omtrent) 10-100 timer, en prosess som vanligvis tar ca. 15 minutter å utføre. Indirekte oppvarmede katoder har meget lengre levetid, og kan typisk være i drift hundrevis av timer før de krever utskifting.

Strålekvaliteten kan overvåkes i sanntid ved bruk av f.eks. en innretning med sliss sonde. Denne har da mulighet for å tilsluttes elektronstrålens reguler-ingsutstyr som en automatisk anordning.

I henhold til et visst utførelseseksempel kan arbeidsstykket behandles som en kontinuerlig strimmel ved bruk av vanlig utstyr for overgang luft-til-vakuum-til-luft, som da med hell er blitt oppbygget for slike anvendelser som tilvirkning av sagblader, fra bimetallstrimler etc.

En alternativ fremgangsmåte er å behandle ruller av strimmelmateriale hver for seg (fig. 4), på en slik måte at emnematerialet 10 på en rull 11 lastes inn i et spesialbygd vakuumkammer 12, sammen med en tom opptaksspole 13. Disse spoler 11, 13 må nødvendigvis ha ganske stor diameter hvis ikke materialet skal ta en "setning". Den minste rene bøyningsradius for å frembringe en dimensjonsfor-andring på 0,2% i et materiale med tykkelse på 7 mm er f.eks. 1750 mm. En spole med en radius på 2,5 mm vil derfor være i stand til å inneholde opp til 6 tonn av en 80 mm bred strimmel, hvilket tilsvarer en lengde på 1,4 km. Med en 5 kW kanon 14, vil da en behandlingshastighet på 1 m/minutt være mulig, slik det innbærer at det vil ta omkring 24 timer å behandle en slik materialrull. Hvis imidlertid teksture-ringshastigheten økes proporsjonalt med kanoneffekten, så vil med en 50 kW kanon og med prosesshastighet på 10 m/minutt en slik materialrull kunne ferdig-behandles i løpet av ca. 2,5 timer.

En foretrukket prosess ut ifra det synspunkt som går ut på å integrere den elektroniske tekstureringsteknikk med eksisterende produksjonspraksis, vil imidlertid være å teksturere de enkelte arbeidsstykker, slik som bakplater (PBP) for bremseklosser. Et eksempel på apparatur for å oppnå dette er vist i fig. 5 og 6. To renner 20, 21 er montert side-ved-side (bare én av disse er vist i fig. 6) og to rekker av PBP-enheter mates nedover rennene mot en elektronkanonkolonne 22 slik at begge ligger innenfor et avbøyningsfelt. Utløpene fra rennene 20, 21 er anbrakt i et evakuert kammer 23. Skjønt minst én PBP fjernes etter å ha blitt behandlet, vil den neste bli behandlet. Dette innebærer at den tilgjengelige stråleeffekt kan fullt ut utnyttes under kontinuerlig drift. I tillegg og til forskjell fra andre teknikker vil dette lett gjøre det mulig for å teksturere hver PBP for seg når dette er påkrevet. De valgte tekstureringsområder på vanlige PBP-enheter med allerede påførte hull vil også være mulig.

I praksis vil rekker av PBP-enheter kunne lastes inn kontinuerlig i hver ren-ne slik at vedkommende rennes sidevegger gjør tjeneste som en effektiv vakuumtetning. For å lette dette kan hver 100. PBP eller lignende utgjøres av et tomt emne som nøyaktig er tilpasset rennedimensjonene, og da eventuelt med tillegg av en "0"-ring for å opprettholde en vakuumtetning. Luft løper ut fra rennene på den måte som er vist ved 25, 26 for å opprettholde vakuum. Disse utløp er da kop-let til en vakuumpumpe (ikke vist).

Etter påført teksturering, vil PBP-enhetene ganske enkelt falle ned i en trakt 27 som vil bli tømt med regelmessige mellomrom.

Så snart et arbeidsstykke med behandlet overflate er blitt dannet, kan den forbindes ved bruk av klebemiddel til et annet legeme på vanlig måte. Som tidligere forklart, vil den teksturerte overflate i betraktelig grad øke og forsterke vedkommende forbindelse og faktisk gjøre det mulig å sammenføye visse materialer uten bruk av klebemiddel, hvilket tidligere ikke ville vært mulig.

De utførelseseksempler som er beskrevet hittil anskueliggjør dannelse av blindhull eller hulrom i arbeidsstykkets overflate. Oppfinnelsesgjenstanden kan imidlertid også benyttes til å danne gjennomgående hull. Fig. 7 viser dannelse av et asymmetrisk gjennomgående hull 30 i et arbeidsstykke 32. Fig. 8 viser mer detaljert hvorledes et gjennomgående hull dannes gjennom et arbeidsstykke 34. Innledningsvis blir en elektronstråle eller laserstråle 36 fokusert inn på en overflate 38 av vedkommende arbeidsstykke 34, slik at den trenger gjennom substratet og begynner å trenge inn i det bakenforliggende materiale,

(fig. 8a). Eventuell kan strålen 36 avbøyes med meget høyfrekvens slik at strålen "formes" til å danne ikke-sirkulære, eller hull som ikke er av stråleform. Etter hvert som strålen 36 trenger gjennom arbeidsstykket 34, vil det bli dannet et område av flytende metall/substrat 40 langs hullets sider.

Så snart strålen treffer substratet 42 bakenfor (som typisk utgjøres av sili-kongummi eller annet flyktig materiale), vil det inntreffe en liten gasseksplosjon som bringer størstedelen eller nesten alt smeltet materiale 40 til å støtes ut og et-terlate skarpe sidekanter for hullet. (Fig. 8b).

Strålen 36 blir så avbøyd ved en lavere frekvens (fig. 8c) for å nedsmelte hullets periferi og forskyve nytt/eksisterende smeltet materiale 44 på kontrollert måte. Videre damputvikling fra substratet 42 på baksiden vil bidra til flyting av metall/substratet hvis dette er påkrevet.

Nærliggende hull kan dannes på lignende måte (fig. 8d) for å frembringe overlappende smeltesone 46 for derved å frembringe krumme tilbakeløpsformede eller annerledes formede hull.

Alternativt kan asymmetriske smeltesoner 48 (fig. 8e) utformes, og som kan danne overlappinger eller ikke etter behov. Hullets asymmetri frembringes ved hjelp av regulert stråleavbøyning.

Fig. 9 viser dannelse av et gjennomgående hull uten bruk av et bakre lag. I fig. 9a slår således en stråle 36 an mot et arbeidsstykke 34 for å danne et hull 50 med smeltet materiale 40 langs hullets sidevegger. Strålen 36 vil bli avbøyd med meget høy frekvens for derved å "forme" hullet.

Strålen blir avbøyd med en mellomliggende frekvens (fig. 9b) for derved å utvide, forme og forskyve smeltet materiale 40 i en omkretssone 52.

Ikke-overlappende symmetriske tilbakeløpshull kan videre utformes på lignende måte (fig. 9c), eller alternativt kan hullene plasseres nær inntil hverandre slik at det dannes overlappende smelteområder 54 som fastlegger lukkede tilbake-løpstrekk. I henhold til ytterligere alternative utførelser (fig. 9e) kan det frembringes ikke-overlappende asymmetriske hullkonstruksjoner.

I de utførelseseksempler som er vist i fig. 8 og 9 kan hulldannelsen finne sted i en takt på omkring 1000 pr. sekund. Den innledende avbøyningsfrekvens (fig. 8a og 9a) vil typisk ligge i området 100 KHz-2 MHz, mens den påfølgende "profil"-formende avbøyningsfrekvens som anvendes i de prosesstrinn som er vist i fig. 8b og 9b, vil være av størrelsesorden 1 KHz-100 KHz.

I visse tilfeller kan elektronstrålen eller laserstrålen 1 anvendes for å for-varme visse områder forut for tekstureringen eller perforeringen og er da vanligvis defokusert. Strålen kan således være tidsdelt mellom disse oppgaver og derved gjøre det mulig å utføre begge hovedsakelig samtidig.

Fig. 10 viser at en rekke hulrom kan dannes i et arbeidsstykke ved summe-ring av et antall strålebevegelser. Pilen 100 angir den relative bevegelse av arbeidsstykket i forhold til elektronkanonen.

Strålen beveger seg tvers over arbeidsstykket mellom et antall behandlingssteder og langs en hovedsakelig lineær bane. Denne tversgående retning eller "primære avbøyning" er vist ved pilene 101. Denne tverrvandring gjentas under hele bearbeidingsprosessen, slik som angitt ved pilen 102. Den krumme pil 103 angir den rundtgående bevegelse (sekundæravbøyningen) for vedkommende stråle, og som når den anvendes bringer hulrommene til å anta den tilsiktede form.

Det bør erindres at bevegelsestiden mellom de forskjellige behandlingssteder typisk ligger omkring 1/100 av den tid som tilbringes på hvert behandlingssted og de bevegelser som er angitt ved 101 er derfor meget raskere enn den relative bevegelse av arbeidsstykket 100 eller de rundtgående sekundære av-

bøyninger 103.

Ved å summere de tre bevegelser som er nevnt ovenfor og med hensiktsmessig styring av deres relative frekvenser, kan det genereres en kombinert bevegelse av strålen i forhold til arbeidsstykket, slik det generelt er angitt ved 104 i fig. 10.

Fig. 11a-11d viser bruk av forskjellige sekundæravbøyninger ved forutgående eller etterutførte varmebehandlinger. I fig. 11a er det vist en forvarmings-sløyfe som utføres forut for hulromsdannelsen, hvor da strålen første følger en sirkel 105, idet denne sirkel ligger på utsiden av det ferdige hulroms omkrets. Strålen blir så beveget langs to sirkler 106,107 med mindre diameter for derved faktisk å danne vedkommende hulrom.

Fig. 11b viser en raster-forvarming hvor en del av et intilliggende sted for senere hulromsdannelse først forvarmes ved hjelp av en rasterformet bevegelse 108. Hulrommet på det tilsiktede sted blir så dannet ved bruk av en sirkelformet strålebane ved 109. Resten av det tilstøtende behandlingssted blir så forvar-met ved hjelp av en ytterligere rasterbevegelse i trinn 110.

Da strålebevegelsene er meget raske, vil den rekke av behandlingssteder på linjen nærmest inntil de som løpende er utsatt for hulroms- eller hulldannelse på denne måte bli foroppvarmingsbehandlet. Prosessens høye hastighet fører til lite tap av forvarmingstemperatur ved det tidspunkt de forskjellige hulrom eller hull dannes etter forvarmerbehandlingen. Fig. 11c viser en hensiktsmessig sekundæravbøyning for en sløyfeformet etteroppvarmingsbehandling. Sirklene 111, 112 angir strålebevegelsene for først å danne et hulrom, hvoretter strålen avbøyes slik at den følger en sirkelformet bane 113 på et annet sted hvor et hulrom tidligere er blitt utformet. Fig. 11d viser et ytterligere eksempel på foroppvarmingsbehandling, og som er spesielt gunstig for dannelse av store agglomeringer av utstøtt materiale. Strålen blir først beveget langs en linje 114 mot et behandlingssted hvor et hulrom skal utformes. Denne linje forløper for størstedelen i avstand fra linjene for tilstøtende behandlingssteder og som definerer de forutgående primære stråleavbøyningsba-ner. Arbeidsstykkets overflate nedsmeltes i nærheten av denne linje.

Strålen følger så en sirkelformet bane 115 for å frembringe dannelse av det tilsiktede hulrom. Når dette utføres med en passende hastighet vil det utstøtte materiale fra den tidligere utformede linje av hulrom bli i smeltet tilstand. Det ut-støtte materiale fra grupper av hulrom flyter derfor sammen drevet av overflatespenningskrefter for å danne store samlinger i mellomrommene mellom hulrommene.

Eksempler på visse ytterligere betingelser for dannelse av hulrom ved bruk av en elektronstråle er angitt i tabellen nedenfor.

Claims (45)

1. Fremgangsmåte for å bearbeide eller modifisere overflaten til et arbeidsstykke (2,34), der fremgangsmåten går ut på å frembringe relativ bevegelse mellom arbeidsstykket (2,34) og en effektstråle (1,36) i en tverretning for derved å frilegge en rekke bearbeidingssteder på arbeidsstykket for effektstrålen,karakterisert vedat effektstrålen på hvert behandlingssted bringes til å beveges i flere retninger i forhold til arbeidsstykket i samsvar med et forutbestemt bevegelsesmønster, slik at materialet i arbeidsstykket på hvert behandlingssted smeltes ned og forskyves av effektstrålen slik at det dannes et hulrom eller et hull.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert vedat den videre omfatter innledningsvis valg av effektstrålens bevegelsesmønster på en slik måte at strålen bringes til å bevege seg på forutbestemt regulert måte.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller krav 2, karakterisert vedat når et hull dannes på hvert behandlingssted, bringes dette hull til å anta en asymmetrisk form i forhold til effektstrålens nominelle bevegelsesretning.

4. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav,karakterisert vedat et hull dannes på hvert behandlingssted, arbeidsstykket (34) er plassert mot et bakenforliggende substrat (42), effektstrålen bringes til å passere gjennom hullet i arbeidsstykket og falle inn mot det bakenforliggende substrat.

5. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1 til 4, karakterisert vedat når et hull dannes på hvert behandlingssted, bringes bevegelsen av strålen på forutbestemt måte til å finne sted forut for eller etter at hullet er blitt dannet.

6. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat den forutbestemte bevegelse omfatter en sekun-dæravbøyning for å frembringe en bevegelse i form av et sirkulært, lineært, ellip-soidalt og/eller enkelt geometrisk figurmønster.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 6, karakterisert vedat effektstrålen avbøyes ved en første frekvens til å danne et hull eller et hulrom og deretter ved den andre, forskjellig frekvens.

8. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat strålemanipuleringen bringes til å omfatte temporær og/eller romlig modulasjon av effektstrålens densitetsfordeling.

9. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat den videre omfatter nedsmeltning og forskyvning av det størknede materiale for å oppnå en ønsket kantprofil.

10. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat arbeidsstykkets materiale på hvert behandlingssted nedsmeltes og forskyves lateralt under påvirkning av effektstrålen, og tillater så å størkne for å danne et hulrom eller et hull omgitt av et område av størknet materiale som rager utover tilstøtende deler av arbeidsstykkets overflate.

11. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat hulrommene eller hullene utformes i arbeidsstykket i en takt på minst 500 pr. sekund.

12. Fremgangsmåte som angitt i krav 11, karakterisert vedat hulrommene eller hullene utformes i arbeidsstykket i en takt på minst 580 pr. sekund.

13. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat effektstrålen beveges mellom behandlingsstedene med en hastighet på omkring 1 km/s.

14. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat forflytningstiden mellom behandlingsstedene bringes til å være omkring 1/100 av oppholdstiden på hvert behandlingssted.

15. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat hulrommene eller hullene har en maksimaldiameter på omkring 0,6 mm.

16. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat hulrommene eller hullene har en dybde i området 0,6-1 mm.

17. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat hulrommene eller hullene ligger i avstand fra hverandre med en delningsavstand på omkring 1 mm.

18. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat den maksimale effektdensitet i strålen ligger i området 10<5->10<7>W/mm<2>.

19. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1 til 14, karakterisert vedat hulrommene eller hullene bringes til å ha en maksimaldiameter på mindre enn omkring 10 mikrometer.

20. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1 til 14, karakterisert vedat hulrommene eller hullene bringes til å ha en maksimaldiameter på mindre enn omkring 2 mm.

21. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat hulrommene eller hullene bringes til å anta hovedsakelig samme størrelse.

22. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat hulrommene eller hullene anordnes innenfor et kva-drat eller som en tettpakket gruppe.

23. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat hvert hull eller hulrom har en lukket tilbakevendings-profil.

24. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat effektstrålen utgjøres av en elektrostråle eller en laserstråle.

25. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat strømmen i effektstrålen fordeles over strålens diameter på en slik måte at strømmen i et ringområde av effektstrålen som omgir sentralområdet av strålen, hvor dette sentralområde har en tverrdimensjon som er hovedsakelig lik en tredjedel av strålediameteren, utgjøre i det minste halvparten av strømmen i sentralområdet.

26. Fremgangsmåte som angitt i krav 25, karakterisert vedat strømmen i ringområdet i det minste er lik strøm-men i sentralområdet.

27. Fremgangsmåte som angitt i krav 25, karakterisert vedat strømmen i ringområdet bringes til å være to til tre ganger strømmen i midtområdet.

28. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat en del av den forutbestemte bevegelse bringes til å varme opp et område inntil behandlingsstedet.

29. Fremgangsmåte som angitt i krav 28, karakterisert vedat det inntilliggende område bringes til å utgjøre et område som omslutter behandlingsstedet.

30. Fremgangsmåte som angitt i krav 28, karakterisert vedat det inntilliggende område bringes til å utgjøre et annet behandlingssted.

31. Fremgangsmåte som angitt i krav 30, karakterisert vedat det andre behandlingssted oppvarmes før vedkommende hulrom eller hull dannes på det andre behandlingssted.

32. Fremgangsmåte som angitt i krav 30, karakterisert vedat det andre behandlingssted oppvarmes etter at hulrommet eller hullet er dannet på det andre behandlingssted.

33. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 28 til og med 32,karakterisert vedat den angitte del av den forutbestemte bevegelse utgjøres av en bevegelsesform som er forskjellig fra den forutbestemte bevegelse på det angitte behandlingssted.

34. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 28 til og med 33,karakterisert vedat det angitte parti av den forutbestemte bevegelse bringes til å danne en rasterform.

35. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat behandlingsstedene fordeles slik at det materiale som forskyves fra innbyrdes nærliggende behandlingssteder kommer i kontakt med hverandre.

36. Fremgangsmåte som angitt i krav 35, karakterisert vedat den tidsperiode som forløper mellom formeringen av nabobehandlingssteder er slik at det materiale som forskyves fra disse nabobehandlingssteder forblir i smeltet tilstand og strømmer sammen med hverandre.

37. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat den videre går ut på å variere strålens fokus under dannelsen av hulrom eller hull.

38. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat arbeidsstykket bringes til å utgjøres av et metall.

39. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat det som arbeidsstykke benyttes en bakplate for bremseklosser.

40. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat effektstrålen påføres kontinuerlig.

41. Fremgangsmåte for sammenføyning av et arbeidsstykke med et annet legeme, karakterisert vedat fremgangsmåten går ut på å modifisere arbeidsstykkets overflate ved bruk av en fremgangsmåte i henhold til et av de forutgående patentkrav, for derved å danne én eller flere hulrom i arbeidsstykkets overflate, samt vedhefting av det andre legeme til arbeidsstykkets behandlede overflate.

42. Fremgangsmåte som angitt i krav 41, karakterisert vedat det som det andre legeme benyttes et legeme som omfatter et polymer.

43. Fremgangsmåte som angitt i krav 41, karakterisert vedat det andre legeme er utført i ett av følgende materialer, nemlig nylon, PTFE (polytetrafluoretylen) PMMA (polymetylmetakrylat), poly-uretan, aluminium og dets legeringer, fenolharpikser, samt magnesium og dets legeringer.

44. Fremgangsmåte som angitt i krav 41, karakterisert vedat det som annet legeme benyttes et legeme som omfatter en bremsekloss.

45. Fremgangsmåte som angitt i et av de forutgående krav,karakterisert vedat materialet på hvert behandlingssted nedsmeltes og forskyves slik at vedheftingen mellom arbeidsstykket og et annet materiale for-bedres.