WO2010142444A1 - Trennverfahren für werkstücke mit bereichweise materialfreier werkstoffstruktur, trennvorrichtung und verwendung einer elektronenstrahlquelle - Google Patents

Trennverfahren für werkstücke mit bereichweise materialfreier werkstoffstruktur, trennvorrichtung und verwendung einer elektronenstrahlquelle Download PDF

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Daniel Fritsche
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Definitions

  • the invention relates to a separation process for workpieces with partially material-free material structure and a separator for performing the method and the use of an electron beam source.
  • Cut-off loops are also known as contactless cutting methods such as flame cutting for metallic materials, laser cutting for a large number of different materials and water jet cutting, which is particularly suitable for hard materials.
  • contactless cutting methods such as flame cutting for metallic materials, laser cutting for a large number of different materials and water jet cutting, which is particularly suitable for hard materials.
  • Each of the above separation methods requires meeting a number of constraints in order to achieve a good separation result.
  • each of the separation methods is only suitable for a specific spectrum of materials to be processed.
  • the object of the invention is to provide a separation method for workpieces with partially material-free material ⁇ structure.
  • the method according to claim 1 it is advantageous that due to the strong interaction of the electron beam with the material structure, a high cutting performance and thus an improved equal to other separation methods high cutting speed can be achieved. This applies in particular in comparison to the known laser cutting methods. Furthermore, the use of an electron beam enables cuts with a large aspect ratio, ie with a large cutting depth and a small cutting width, so that even workpieces with a high material thickness can be separated from one another by very fine cuts, ie with narrow kerfs.
  • the predefinable parting line is preferably a continuous cutting line when a complete separation of workpieces is made. Likewise, it may be provided to separate only sections of workpieces by means of the electron beam.
  • the efficiency of the separation process in a vacuum is particularly high, so that a high separation efficiency can be achieved with low energy consumption.
  • Small workpieces are completely housed in a vacuum chamber, larger workpieces can be subjected to vacuum depending on their material structure only partially. Thus, the equipment required for the implementation of the method can be kept low even for large workpieces.
  • Electron beam is performed particularly precise and reproducible.
  • a static charge of the workpiece can be achieved by placing the workpiece on a potential-free, preferably grounded, workpiece carrier can be avoided. This avoids building up an electric potential, which could lead to a deterioration of the cutting performance.
  • the electron beam can act as a continuous beam or as a pulsed beam on the workpiece in order to achieve a favorable cutting result as a function of the material structure.
  • the cutting edge has a surface structure that requires no post-processing for many applications and in particular in knitted fabrics or fabrics by the fused together fiber structures a closed cut edge is formed, the resolution of the fiber composite counteracts.
  • a separating device with the features of claim 10 is provided.
  • Relative mobility between electron beam source and workpiece carrier can be achieved by a corresponding arrangement of the electron beam source and / or by a movable workpiece carrier.
  • a relative movement between the electron beam source and the workpiece carrier in at least two spatial directions is possible.
  • complex cutting geometries can also be carried out.
  • the electron beam source and the workpiece are received in a common vacuum chamber.
  • Another aspect of the invention is the use of an electron beam source according to claim 11.
  • the single figure shows a schematic representation of an electron beam source for separating workpieces with partially material-free material structure.
  • An electron gun 10 is disposed in a vacuum chamber 12 and emits a workpiece-separating oil-extracting workpiece 16.
  • the workpiece 16 is placed on an XY table 18, which allows a relative movement of the workpiece 16 relative to the electron gun 10 in two, i perpendicular aligned spatial directions.
  • the workpiece 16 is produced as knitted fabric from metal threads which are intertwined and / or pressed together in such a way that they form a substantially shape-resistant material structure. Between the individual metal threads of the workpiece 16 are material-free, air-filled spaces.
  • the electron gun 10 has a filament 20, a Wellt neltzylinder 22 and two each offset by 90 ° to each other arranged plate pairs 24, 26.
  • a filament 20 By applying an electrical voltage to the incandescent filament 20, it is heated to such an extent that it emits electrons in the direction of the Wehnelt cylinder 22 under the influence of the Wehnelt cylinder 22, which lies opposite the incandescent filament 20 at a negative electrical potential.
  • the electrons are bundled by the applied potential difference to form a beam which passes through the bore provided in the cylinder 22 in the direction of the workpiece 16.
  • the WehneltZylinder 22 downstream plate pairs 24 and 26 can by voltage sources not shown with control voltages for steering and shaping of the electron beam are applied.
  • the workpiece 16 has cavities or interstices into which the molten material can retreat due to its surface tension. Evaporation of the material is not desirable because this uneconomically large amounts of energy would have to be used and also the evaporated material would be reflected elsewhere, which could lead to contamination of the workpiece 16 and the electron gun 10.
  • the XY stage 18 is grounded via a grounding line 30 during irradiation with the electron beam 14 to ensure the potential-freeness of the workpiece 16, so that a separation is possible. flow can take place as electron beam 14 incident on the workpiece 16 electrons.

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Abstract

Um ein Trennverfahren für Werkstücke (16) mit bereichsweise materialfreier Werkstoffstruktur effizient durchführen zu können, wird vorgeschlagen, einen Elektronenstrahl (14) entlang einer vorgebbaren Trennlinie über das Werkstück (16) zu führen.

Description

TRENNVERFAHREN FÜR WERKSTÜCKE MIT BEREICHWEISE
MATERIALFREIER
WERKSTOFFSTRUKTUR, TRENNVORRICHTUNG UND VERWENDUNG EINER
ELEKTRONENSTRAHLQUELLE
Die Erfindung betrifft ein Trennverfahren für Werkstücke mit bereichsweise materialfreier Werkstoff struktur sowie eine Trennvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und die Verwendung einer Elektronenstrahlquelle .
Aus dem Stand der Technik sind Trennverfahren und Trennvorrichtungen bekannt", ~πfit deren HiTfe" Werkstücke- zerteilt- und/oder mit Ausnehmungen versehen werden können. Neben einer Vielzahl von Trennverfahren mit geometrisch bestimmter Schnei- de- und geometrisch unbestimmter Schneide wie Sägen oder
Trennschleifen sind auch kontaktlose Trennverfahren wie das Brennschneiden für metallische Werkstoffe, das Laserschneiden für eine Vielzahl von unterschiedlichen Werstoffen und das Wasserstrahlschneiden, das insbesondere für harte Werkstoffe geeignet ist, bekannt. Jedes der vorstehend genannten Trennverfahren erfordert die Erfüllung einer Reihe von Randbedingungen, um zu einem guten Trennergebnis zu gelangen. Zudem ist jedes der Trennverfahren nur für ein bestimmtes Spektrum an zu bearbeitenden Werkstoffen geeignet .
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Trennverfahren für Werkstücke mit bereichsweise materialfreier Werkstoff¬ struktur bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .
Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 1 ist vorteilhaft, dass durch die starke Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit der Werk- stoffStruktur eine hohe Schneidleistung und somit eine im Ver- gleich zu anderen Trennverfahren hohe Schnittgeschwindigkeit erreicht werden kann. Dies gilt insbesondere im Vergleich zu den bekannten Laserschneidverfahren. Weiterhin ermöglicht der Einsatz eines Elektronenstrahls Schnitte mit einem großen As- pektverhältnis, d.h. mit einer großen Schnitttiefe und einer geringen Schnittbreite, so dass auch Werkstücke mit großer Materialstärke durch sehr feine Schnitte, das heißt mit schmalen Schnittfugen, voneinander getrennt werden können. Die vorgebbare Trennlinie ist vorzugsweise eine durchgehende Schnittli- nie, wenn eine vollständige Trennung von Werkstücken vorgenommen wird. Ebenso kann vorgesehen werden, mittels des Elektronenstrahls- lediglich Ausschnitte aus Werkstücken herauszutrennen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen .
Bei dem Verfahren gemäß dem Anspruch 2 ist vorteilhaft, dass der Wirkungsgrad des Trennverfahrens im Vakuum besonders hoch ist, so dass mit geringem Energieaufwand eine hohe Trennleistung erzielt werden kann. Kleine Werkstücke werden vollständig in einer Vakuumkammer aufgenommen, größere Werkstücke können abhängig von ihrer Werksstoffstruktur auch lediglich bereichsweise vakuumbeaufschlagt werden. Somit kann der apparative Aufwand für die Durchführung des Verfahrens auch für große Werksstücke gering gehalten werden.
Bei dem Verfahren gemäß dem Anspruch 3 ist vorteilhaft, dass eine Vielzahl von Werkstoffen mit unterschiedlichen Werkstoff- Strukturen bearbeitet werden kann.
Beim Verfahren gemäß dem Anspruch 4 ist vorteilhaft, dass der
Elektronenstrahl besonders präzise und reproduzierbar geführt wird. Bei der Verfahrensdurchführung kann eine statische Auf- ladung des Werkstücks durch Auflegen des Werkstücks auf einen potentialfreien, vorzugsweise geerdeten, Werkstückträger vermieden werden. Dadurch wird ein Aufbauen eines elektrischen Potentials vermieden, welches zu einer Verschlechterung der Schneidleistung führen könnte.
Bei dem Verfahren gemäß dem Anspruch 5 ist vorteilhaft, dass Werkstücke aus den angeführten Materialien auf Grund ihrer Festigkeitseigenschaften bislang ausschließlich mit Laserschneidverfahren in zufriedenstellender Qualität zu trennen waren und nunmehr durch die Verwendung eines Elektronenstrahls bei gleicher oder verbesserter Schnittqualität deutlich schneller "getrennt werden können. Derartige Materialien -konnten bislang mit Trennverfahren, bei denen geometrisch bestimmte oder unbestimmte Schneiden eingesetzt werden, nicht zufrie- denstellend bearbeitet werden, da bei den angesprochenen Materialien (Gestricken, Geweben, Gewirken) ein teilweises Ausreißen von Fasern auftreten kann. Mit kontaktlosen Trennverfahren, insbesondere Wasserstrahlschneiden, konnten ebenfalls keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt werden, da die beim Wasserstrahl eingesetzten Abrasivstoffe in die Werkstoffstruktur eingelagert werden und damit das Werkstück verschmutzen.
Bei dem Verfahren gemäß dem Anspruch 6 ist vorteilhaft, dass hierdurch eine eng begrenzte, lokale Erwärmung des zu trennenden Werkstücks stattfindet, während umliegende Bereiche nahezu keiner Erwärmung unterworfen werden und somit Materialeigenschaften im Schnittbereich nicht oder nur geringfügig verändert werden. Dabei kann der Elektronenstrahl als kontinuierli- eher Strahl oder als gepulster Strahl auf das Werkstück einwirken, um in Abhängigkeit der Werkstoffstruktur ein günstiges Schneidergebnis zu erzielen.
Bei dem Verfahren gemäß dem Anspruch 7 ist vorteilhaft, dass hiermit eine sehr schmale Trennfuge zwischen den voneinander zu trennenden Bereichen des Werkstücks erzielt werden kann, so dass am Werkstück nur ein geringer Verschnitt vorliegt und nur eine geringe Materialmenge zur Durchführung des Trennvorgangs aufgeschmolzen werden muss. Dadurch kann der Trennvorgang mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden.
Bei dem Verfahren gemäß dem Anspruch 8 ist vorteilhaft, dass die Schnittkante eine Oberflächenstruktur aufweist, die für viele Anwendungsfälle keiner Nachbearbeitung bedarf und insbe- sondere bei Gestricken, Gewirken oder Geweben durch die miteinander verschmolzenen Faserstrukturen eine geschlossene Schnittkante gebildet wird, die einer Auflösung des Faserverbunds entgegenwirkt .
Bei dem Verfahren gemäß dem Anspruch 9 ist vorteilhaft, dass hierdurch die Prozesskosten bei der Durchführung des Verfahrens gering gehalten werden können, da keine teuren Inertgase für die Verfahrensdurchführung bereitgestellt werden müssen. Ebenso entfällt ein zeitaufwändiges Ein- bzw. Ausschleusen aus einem mit Inertgas gefüllten Arbeitsbereich, wie es insbesondere bei der Anwendung von Laserschneidverfahren erforderlich ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Trennvor- richtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgesehen. Die
Relativbeweglichkeit zwischen Elektronenstrahlquelle und Werkstückträger kann durch eine entsprechende Anordnung der Elektronenstrahlquelle und/oder durch einen beweglichen Werkstückträger erreicht werden. Vorzugsweise ist eine Relativbewegung zwischen Elektronenstrahlquelle und Werkstückträger in zumindest zwei Raumrichtungen möglich. Durch wenigstens eine Schwenkachse für die Elektronenstrahlquelle können auch komplexe Schnittgeometrien ausgeführt werden. Vorzugsweise sind die Elektronenstrahlquelle und das Werkstück in einer gemein- samen Vakuumkammer aufgenommen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Verwendung einer Elektronenstrahlguelle gemäß dem Anspruch 11.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Elektronenstrahl - quelle zum Trennen von Werkstücken mit bereichsweise material- freier Werkstoffstruktur .
Eine Elektronenkanone 10 ist in einer Vakuumkammer 12 angeordnet -und- sendet einen E-lekt-ronens-trahl -14 -auf- ei-n z-u trennendes- Werkstück 16 aus. Das Werkstück 16 ist auf einem XY-Tisch 18 aufgelegt, der eine Relativbewegung des Werkstücks 16 gegen- über der Elektronenkanone 10 in zwe,i senkrecht zueinander ausgerichteten Raumrichtungen ermöglicht. Das Werkstück 16 ist als Gewirke aus Metallfäden hergestellt, die derart miteinander verschlungen und/oder verpresst sind, dass sie eine im Wesentlichen gestaltfeste Werkstoffstruktur bilden. Zwischen den einzelnen Metallfäden des Werkstücks 16 sind materialfreie, luftgefüllte Zwischenräume.
Die Elektronenkanone 10 weist eine Glühwendel 20, einen Weh- neltzylinder 22 und zwei jeweils um 90° zueinander versetzt angeordnete Plattenpaare 24, 26 auf. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Glühwendel 20 wird diese so stark erhitzt, dass sie unter Einfluss des WehneltZylinders 22, der gegenüber der Glühwendel 20 auf negativem elektrischen Potentials liegt, Elektronen in Richtung des WehneltZylinders 22 emittiert. Die Elektronen werden durch die anliegende Potentialdifferenz zu einem Strahl gebündelt, der durch die im Weh- neltzylinder 22 vorgesehen Bohrung in Richtung des Werkstücks 16 hindurchtritt. Die dem WehneltZylinder 22 stromab nachgelagerten Plattenpaare 24 und 26 können von nicht dargestellten Spannungsquellen mit SteuerSpannungen zur Lenkung und Formung des Elektronenstrahls beaufschlagt werden. Der somit zu einem dünnen, hochenergetischen Strahl konzentrierte Elektronenstrahl 14 tritt durch eine am unteren Ende der Elektronenkanone 10 angebrachte, auf einem gegenüber der Glühwendel 20 posi- tiven elektrischen Potential liegenden Anodenplatte 28 hindurch und wird in Richtung des Werkstücks 16 abgegeben.
Durch die Wechselwirkung der auf dem Werkstück 16 eintreffenden, hochenergetischen Elektronen mit der Werkstoffstruktur des Werkstücks 16 tritt ein lokales Aufschmelzen der Metallfäden auf, die im Schmelzbereich durchtrennt werden und - wie dies-in der Figur 1 schematisch dargestellt ist - bedingt durch die Oberflächenspannung der Schmelze jeweils endseitig eine kleine Metallkugel ausbilden. Durch den Elektronenstrahl 14 werden die aufeinander gestapelten Metallfäden durchgeschmolzen, so dass eine vollständige Trennung des Werkstücks 16 erreicht wird. Durch eine Relativbewegung des Werkstücks 16 gegenüber der Elektronenkanone 10 können Schnittverläufe in das Werkstück 16 eingebracht werden, so dass nahezu beliebige Formen aus dem Werkstück 16 ausgeschnitten werden können.
Für die Durchführung des Trennverfahrens ist es von Bedeutung, dass das Werkstück 16 Hohlräume oder Zwischenräume aufweist, in die das aufgeschmolzene Material bedingt durch seine Ober- flächenspannung zurückweichen kann. Ein Verdampfen des Materials ist nicht erwünscht, da hierzu unökonomisch große Energiemengen eingesetzt werden müssten und zudem das verdampfte Material sich an anderer Stelle niederschlagen würde, was zu Verschmutzungen des Werkstücks 16 und der Elektronenkanone 10 führen könnte.
Der XY-Tisch 18 ist zur Gewährleistung der Potentialfreiheit des Werkstücks 16 während der Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl 14 über eine Erdungsleitung 30 geerdet, so dass ein Ab- strömen der als Elektronenstrahl 14 auf das Werkstück 16 auf- treffenden Elektronen stattfinden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Trennverfahren für Werkstücke (16) mit bereichsweise materialfreier Werkstoffstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektronenstrahl (14) entlang einer vorgebbaren Trennlinie über das Werkstück (16) geführt wird.
2. Trennverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, dass das Werkstück (16) zumindest in dem Auftreffbereich des Elektronenstrahls (14) vakuumbeaufschlagt ist.
3. Trennverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumenanteil materialfreier Bereiche des Werkstücks (16) mehr als 0,1% beträgt.
4. Trennverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (16) während des Trennvorgangs frei von einem elektrischen Potential ist.
5. Trennverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (16) eine bereichsweise materialfreie Werkstoffstruktur aus der Gruppe: Sintermaterial, Gestrick, Gewebe, Gewirke, Schwamm, Schaum, insbesondere mit Metallanteil, aufweist.
6. Trennverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahl eine T.pi stungsdichte von zumindest 100.000 Watt/cm2 aufweist.
7. Trennverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahl einen Brennfleck mit einem Durchmesser von weniger als 0,5 mm aufweist.
8. Trennverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichte des Elektronenstrahls so eingestellt wird, dass das Werkstück be- reichsweise aufgeschmolzen wird und geschmolzener Werkstoff in materialfreie Bereiche ausweicht und/oder verdampft und/oder sublimiert .
9. Trennverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass Umgebungsluft, vorzugsweise unter Unterdruck stehende Umgebungsluft, als Prozessflu- id-für- den Trennvorgang eingesetzt wird.-
10. Trennvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Elektronenstrahlquelle und ein Werkstückträger relativ zueinander beweglich angeordnet sind.
11. Verwendung einer Elektronenstrahlquelle zur Durchfüh- rung eines Trennverfahrens, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, an Werkstücken mit bereichsweise materialfreier Werkstoffstruktur .
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