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Dokumentenidentifikation DE102009024450A1 16.12.2010
Titel Trennverfahren für Werkstücke, Trennvorrichtung und Verwendung einer Elektronenstrahlquelle
Anmelder pro-beam technologies GmbH, 06118 Halle, DE
Erfinder Seilkopf, Jürgen, 06120 Halle, DE;
Fritsche, Daniel, 39104 Magdeburg, DE;
Krüssel, Thomas, Dr., 06193 Löbejün, DE
Vertreter Ostertag & Partner, Patentanwälte, 70597 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 10.06.2009
DE-Aktenzeichen 102009024450
Offenlegungstag 16.12.2010
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.12.2010
IPC-Hauptklasse B23K 15/08  (2006.01)  A,  F,  I,  20090610,  B,  H,  DE
Zusammenfassung 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.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Trennverfahren für Werkstücke mit bereichsweise materialfreier Werkstoffstruktur sowie eine Trennvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und die Verwendung einer Elektronenstrahlquelle.

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.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Trennverfahren für Werkstücke mit bereichsweise materialfreier Werkstoffstruktur 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 Werkstoffstruktur eine hohe Schneidleistung und somit eine im Vergleich 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.

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 Werkstoffstrukturen 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 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.

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.

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.

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 insbesondere 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 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.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Verwendung einer Elektronenstrahlquelle 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 Elektronenstrahlquelle zum Trennen von Werkstücken mit bereichsweise materialfreier Werkstoffstruktur.

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.

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.

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.

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.

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.


Anspruch[de]
Trennverfahren für Werkstücke (16) mit bereichsweise materialfreier Werkstoffstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektronenstrahl (14) entlang einer vorgebbaren Trennlinie über das Werkstück (16) geführt wird. Trennverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (16) zumindest in dem Auftreffbereich des Elektronenstrahls (14) vakuumbeaufschlagt ist. Trennverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumenanteil materialfreier Bereiche des Werkstücks (16) mehr als 0,1% beträgt. Trennverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (16) während des Trennvorgangs frei von einem elektrischen Potential ist. 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.
Trennverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahl eine Leistungsdichte von zumindest 100.000 Watt/cm2 aufweist. Trennverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahl einen Brennfleck mit einem Durchmesser von weniger als 0,5 mm aufweist. Trennverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichte des Elektronenstrahls so eingestellt wird, dass das Werkstück bereichsweise aufgeschmolzen wird und geschmolzener Werkstoff in materialfreie Bereiche ausweicht und/oder verdampft und/oder sublimiert. Trennverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Umgebungsluft, vorzugsweise unter Unterdruck stehende Umgebungsluft, als Prozessfluid für den Trennvorgang eingesetzt wird. 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. Verwendung einer Elektronenstrahlquelle zur Durchführung eines Trennverfahrens, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, an Werkstücken mit bereichsweise materialfreier Werkstoffstruktur.






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