DE102009024450A1

DE102009024450A1 - Separation method for workpieces, separation device and use of an electron beam source

Info

Publication number: DE102009024450A1
Application number: DE102009024450A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Seilkopf; Daniel Fritsche; Thomas Dr. Krüssel
Original assignee: PRO BEAM TECHNOLOGIES GmbH; PRO-BEAM TECHNOLOGIES GmbH
Current assignee: PRO BEAM TECHNOLOGIES GmbH; PRO-BEAM TECHNOLOGIES GmbH
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2010-12-16
Also published as: WO2010142444A1

Abstract

Um ein Trennverfahren für Werkstücke mit bereichsweise materialfreier Werkstoffstruktur effizient durchführen zu können, wird vorgeschlagen, einen Elektronenstrahl (14) entlang einer vorgebbaren Trennlinie über das Werkstück (16) zu führen.In order to efficiently carry out a separation process for workpieces with regions of material-free material structure, it is proposed to guide an electron beam (14) along a predeterminable separation line over the workpiece (16).

Description

Die Erfindung betrifft ein Trennverfahren für Werkstücke mit bereichsweise materialfreier Werkstoffstruktur sowie eine Trennvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und die Verwendung einer Elektronenstrahlquelle.The The invention relates to a separation method for workpieces with partially material-free Material structure and a separator for performing the Method and use of an electron beam source.

Aus dem Stand der Technik sind Trennverfahren und Trennvorrichtungen bekannt, mit deren Hilfe Werkstücke zerteilt und/oder mit Ausnehmungen versehen werden können. Neben einer Vielzahl von Trennverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide- 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.Out the prior art are separation methods and separation devices known, with whose help workpieces can be divided and / or provided with recesses. Next a large number of separation methods with geometrically determined cutting edges and geometrically indeterminate cutting edge such as saws or cutoffs also contactless separation processes such as flame cutting for metallic Materials, laser cutting for a variety of different materials and water jet cutting, that in particular for hard materials is known. Each of the above Separation process requires fulfillment a number of constraints to get a good separation result to get. Moreover, each of the separation methods is only for a particular one Spectrum of materials to be processed suitable.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Trennverfahren für Werkstücke mit bereichsweise materialfreier Werkstoffstruktur bereitzustellen.The The object of the invention is to provide a separation method for workpieces provide partially material-free material structure.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by a method having the features of the claim 1 solved.

Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 1 ist vorteilhaft, dass durch die starke Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit der Werkstoffstruktur 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 Aspektverhältnis, 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 Schnittlinie, wenn eine vollständige Trennung von Werkstücken vorgenommen wird. Ebenso kann vorgesehen werden, mittels des Elektronenstrahls lediglich Ausschnitte aus Werkstücken herauszutrennen.at the method according to claim 1 is advantageous that due to the strong interaction of the electron beam with the material structure a high cutting performance and thus a compared to other separation methods high cutting speed can be achieved. This is especially true in comparison to the known laser cutting method. Furthermore, the use of an electron beam allows Cuts with a big one Aspect ratio, d. H. with a big one Cutting depth and a small cutting width, so that also workpieces with large material thickness through very fine cuts, that is with narrow kerfs, can be separated from each other. The predetermined dividing line is preferably a continuous cutting line, if complete Separation of workpieces is made. Likewise, it can be provided by means of the electron beam only cutouts from workpieces separate out.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.advantageous Further developments of the invention are the subject of dependent claims.

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.at the method according to the claim 2 is advantageous that the efficiency of the separation process in Vacuum is particularly high, so that with little energy high separation efficiency can be achieved. Small workpieces will be Completely housed in a vacuum chamber, larger workpieces may depend on their material structure also only partially vacuum-loaded. Thus, can the equipment required for the implementation of the method even for large workpieces low being held.

Bei dem Verfahren gemäß dem Anspruch 3 ist vorteilhaft, dass eine Vielzahl von Werkstoffen mit unterschiedlichen Werkstoffstrukturen bearbeitet werden kann.at the method according to the claim 3 is advantageous that a variety of materials with different Material structures can be edited.

Beim Verfahren gemäß dem Anspruch 4 ist vorteilhaft, dass der Elektronenstrahl besonders präzise und reproduzierbar geführt wird. Bei der Verfahrensdurchführung kann eine statische Aufladung 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.At the Method according to the claim 4 is advantageous in that the electron beam is particularly precise and reproducibly guided becomes. In the process implementation can static charge the workpiece by placing the workpiece on a potential-free, preferably grounded, workpiece carrier avoided become. This will build up an electric potential avoided, which could lead to a deterioration of the cutting performance.

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 zufriedenstellend 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.at the method according to the claim 5 is advantageous that workpieces from the listed materials due to their strength properties so far exclusively with Laser cutting in satisfactory quality to separate were and now by the use of an electron beam at same or improved cut quality separated much faster can be. Such materials could hitherto with separation processes in which geometrically determined or indefinite cutting edges are used, can not be satisfactorily processed because of the addressed materials (Knitted, woven, knitted) a partial ripping of Fibers can occur. With contactless separation process, in particular Waterjet cutting, could also not satisfactory Be achieved results, since the water jet used Abrasives are stored in the material structure and thus the workpiece pollute.

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 kontinuierlicher Strahl oder als gepulster Strahl auf das Werkstück einwirken, um in Abhängigkeit der Werkstoffstruktur ein günstiges Schneidergebnis zu erzielen.at the method according to the claim 6 is advantageous in that thereby a narrow local heating of the takes place to be separated workpiece, while surrounding areas are subjected to virtually no warming and Thus material properties in the cutting area are not or only slightly changed. In this case, the electron beam as a continuous beam or act as a pulsed beam on the workpiece, depending on the material structure a favorable cutting result to achieve.

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.In the method according to claim 7 is advantageous that hereby a very narrow parting line between the Be to be separated from each other rich of the workpiece can be achieved, so that the workpiece is only a small waste and only a small amount of material must be melted to perform the separation process. Thereby, the separation process can be performed at high speed.

Bei dem Verfahren gemäß dem Anspruch 8 ist vorteilhaft, dass die Schnittkante eine Oberflächenstruktur aufweist, die für viele Anwendungsfälle keiner Nachbearbeitung bedarf und insbesondere bei Gestricken, Gewirken oder Geweben durch die miteinander verschmolzenen Faserstrukturen eine geschlossene Schnittkante gebildet wird, die einer Auflösung des Faserverbunds entgegenwirkt.at the method according to the claim 8 is advantageous in that the cut edge has a surface structure that has for many use cases none Post-processing is needed and especially for crocheted, knitted fabrics or tissues through the fused fiber structures a closed cut edge is formed, which is a resolution of the Counteracts fiber composite.

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.at the method according to the claim 9 is advantageous that thereby the process costs in the implementation of Can be kept low, because no expensive inert gases provided for the procedure Need to become. Likewise omitted a time-consuming Injecting or discharging from a workspace filled with inert gas, as is the case in particular with the use of laser cutting methods is required.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Trennvorrichtung 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 gemeinsamen Vakuumkammer aufgenommen.According to one Another aspect of the invention is a separating device with the Features of claim 10 is provided. The relative mobility between electron beam source and workpiece carrier can by a corresponding Arrangement of the electron beam source and / or by a movable Workpiece carrier reached become. Preferably, a relative movement between the electron beam source and workpiece carrier in at least two spatial directions possible. By at least one pivot axis for the electron beam source can Even complex cutting geometries are executed. Preferably the electron beam source and the workpiece in a common vacuum chamber added.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Verwendung einer Elektronenstrahlquelle gemäß dem Anspruch 11.One Another aspect of the invention is the use of an electron beam source according to the claim 11th

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Elektronenstrahlquelle zum Trennen von Werkstücken mit bereichsweise materialfreier Werkstoffstruktur.below is an embodiment of Invention with reference to the drawing described. In this, the single figure shows a schematic Representation of an electron beam source for separating workpieces with partially material-free material structure.

Eine Elektronenkanone 10 ist in einer Vakuumkammer 12 angeordnet und sendet einen Elektronenstrahl 14 auf ein zu 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 zwei 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.An electron gun 10 is in a vacuum chamber 12 arranged and sends an electron beam 14 on a workpiece to be separated 16 out. The workpiece 16 is on an XY table 18 applied, which is a relative movement of the workpiece 16 against over the electron gun 10 allows in two mutually perpendicular directions in space. 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.

Die Elektronenkanone 10 weist eine Glühwendel 20, einen Wehneltzylinder 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 Wehneltzylinder 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 positiven elektrischen Potential liegenden Anodenplatte 28 hindurch und wird in Richtung des Werkstücks 16 abgegeben.The electron gun 10 has a filament 20 , a Wehnelt cylinder 22 and two plate pairs each offset by 90 ° from each other 24 . 26 on. By applying an electrical voltage to the filament 20 This is heated so much that they are under the influence of the Wehneltzylinders 22 , the opposite of the filament 20 is at negative electrical potential, electrons in the direction of the Wehneltzylinders 22 emitted. The electrons are bundled by the applied potential difference to a beam through the in the Wehneltzylinder 22 provided hole in the direction of the workpiece 16 passes. The Wehnelt cylinder 22 downstream plate pairs 24 and 26 can be acted upon by control voltages not shown for steering and shaping of the electron beam. The thus concentrated to a thin, high-energy beam electron beam 14 passes through one at the bottom of the electron gun 10 attached, on one opposite the filament 20 positive electric potential lying anode plate 28 through and going in the direction of the workpiece 16 issued.

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 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.Due to the interaction of the on the workpiece 16 incoming, high-energy electrons with the material structure of the workpiece 16 occurs a local melting of the metal filaments, which are severed in the melting region and - as in the 1 is shown schematically - due to the surface tension of the melt each end form a small metal ball. Through the electron beam 14 The stacked metal threads are melted through, allowing a complete separation of the workpiece 16 is reached. By a relative movement of the workpiece 16 opposite the electron gun 10 can cut patterns in the workpiece 16 are introduced so that almost any shapes from the workpiece 16 can be cut out.

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 Oberflächenspannung 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.To carry out the separation process, it is important that the workpiece 16 Has cavities or spaces in 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, resulting in contamination of the workpiece 16 and the electron gun 10 could lead.

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 auftreffenden Elektronen stattfinden kann.The XY table 18 is to ensure the potential freedom of the workpiece 16 during irradiation with the electron beam 14 via a grounding line 30 grounded, leaving a stream of the as an electron beam 14 on the workpiece 16 incident electrons can take place.

Claims

Separation method for workpieces ( 16 ) with partially material-free material structure, characterized in that an electron beam ( 14 ) along a predefinable parting line over the workpiece ( 16 ) to be led.

Separating method according to claim 1, characterized in that the workpiece ( 16 ) at least in the impact area of the electron beam ( 14 ) is vacuum-charged.

Separation method according to claim 1 or 2, characterized in that a volume fraction of material-free areas of the workpiece ( 16 ) is more than 0.1%.

Separation method according to one of the preceding claims, characterized in that the workpiece ( 16 ) is free of electrical potential during the separation process.

Separation method according to one of the preceding claims, characterized in that the workpiece ( 16 ) has a partially material-free material structure from the group: sintered material, knitted fabric, woven fabric, knitted fabric, sponge, foam, in particular with metal content.

Separation method according to one of the preceding claims, characterized in that the electron beam has a power density of at least 100,000 watts / cm ² .

Separation method according to one of the preceding claims, characterized in that the electron beam has a focal spot with a Diameter of less than 0.5 mm.

Separation method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the power density of the electron beam so is set, that the workpiece partially melted and molten material evades into material-free areas and / or evaporates and / or sublimates.

Separation method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that ambient air, preferably under negative pressure standing ambient air, used as process fluid for the separation process becomes.

Separating device for carrying out the method according to a the claims 1 to 9, characterized in that at least one electron beam source and a workpiece carrier relative are arranged to move each other.

Use of an electron beam source for performing a Separation method, in particular according to one of claims 1 to 9, on workpieces with partially material-free material structure.