Elektronenstrahl-Bearbeitungstechnik

Die Grundsätze, Merkmale und Anwendungen der Elektronenstrahlverarbeitungstechnologie. Definition der mikrofeinen Hochenergiestrahlverarbeitung. Der Begriff Hochenergiestrahl bezieht sich in der Regel auf einen Strahl mit hoher Energiedichte, wie z. B. Laser-, Elektronen-, Plasma- und Ionenstrahlen. Die Technologie der Hochenergiestrahlbearbeitung bezieht sich auf die Verwendung von Hochenergiestrahlen für die Herstellung und Bearbeitung von Materialien oder Komponenten, einschließlich Schweißen, additive Fertigung und Oberflächentechnik. Die Technologie der mikrofeinen Hochenergiestrahlverarbeitung ist eine fortschrittliche Mikrofertigungstechnik, die Hochenergiestrahlen nutzt, um Erhitzung, Schmelzen, Verdampfung, Plasma und andere physikalische Phänomene in Werkstoffen zu induzieren und damit Zwecke wie Materialabtrag, Fügen, Wachstum und Modifikation zu erreichen. Da Hochenergiestrahlen auf eine extrem kleine Größe fokussiert werden können, mit Strahldurchmessern von 100 nm bis 0,1 μm, und eine Bearbeitungsgenauigkeit im Nanometerbereich erreicht wird, handelt es sich um eine Methode der Feinstbearbeitung.

Technologie der Elektronenstrahlbearbeitung

1. Grundsätze der Elektronenstrahlverarbeitung.

Unter Elektronenstrahlbearbeitung versteht man die Emission eines Elektronenstrahls aus einer beheizten Kathode unter Vakuumbedingungen. Der negativ geladene Elektronenstrahl fliegt auf die Anode zu, wird durch eine Beschleunigungselektrode beschleunigt und durch elektromagnetische Linsen fokussiert. Dies führt zu einer hochkonzentrierten Energiedichte, wobei die Energie in Spots mit Durchmessern von 0,1 bis 10 μm konzentriert wird und Energiedichten von 10^6 bis 10^9 W/cm² erreicht werden. Durch den Hochgeschwindigkeitsaufprall auf die Oberfläche des Werkstücks wird ein großer Teil der Energie innerhalb kürzester Zeit in Wärme umgewandelt, wodurch die Temperatur des aufprallenden Materials auf Tausende von Grad Celsius ansteigt und Schmelzen und Verdampfen verursacht. Das beim Aufprall entstehende Abfallmaterial wird durch das Vakuumsystem abgesaugt.

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1.1 Prinzip der Elektronenstrahlbearbeitung.

Abbildung 1.2 veranschaulicht verschiedene Bearbeitungstechniken, die die thermischen Effekte von Elektronenstrahlen nutzen. Abbildung 1.2(a) zeigt, dass bei einer Bestrahlung mit niedriger Leistungsdichte die Sättigungstemperatur des zentralen Teils des Elektronenstrahls nahe der Schmelztemperatur liegt. An diesem Punkt ist die Verdampfung langsam und die Schmelzgrube groß, so dass sie sich für die Oberflächenbehandlung mit Elektronenstrahlen zur Verbesserung der Oberflächenhärte und -festigkeit eignet. Abbildung 1.2(b) zeigt das Phänomen des Schmelzens, Verdampfens und Verdunstens bei einer Bestrahlung mit mittlerer Leistungsdichte. Wenn das Material transparent ist, können einige blasenartige Strukturen beobachtet werden, die sich nach der Bestrahlung in ihrem ursprünglichen Zustand verfestigen. Die Bestrahlung mit mittlerer Leistungsdichte kann zum Elektronenstrahlschweißen verwendet werden. Abbildung 1.2(c) zeigt das Prinzip des Elektronenstrahlbohrens bei Bestrahlung mit hoher Leistungsdichte. Die Sättigungstemperatur des zentralen Teils des Elektronenstrahls liegt weit über der Verdampfungstemperatur. Da der Druck im Inneren der Blasen größer ist als die Oberflächenspannung der geschmolzenen Schicht, wird das Material aus dem Eingang des Elektronenstrahls herausgeschleudert und in der Tiefe effektiv bearbeitet. Dies ist das Prinzip des Elektronenstrahlbohrens. Für allgemeine metallische Werkstoffe ist eine Leistungsdichte von 10^6 bis 10^9 W/cm² erforderlich. Neben dem Bohren und Nuten können Elektronenstrahlen mit hoher Leistungsdichte auch für die Herstellung von Dünnschichtkomponenten in integrierten Schaltkreisen verwendet werden, indem durch Aufdampfen hochreine Abscheidungsschichten erzeugt werden.

1.2 Bearbeitung mit Elektronenstrahlen.

2. Merkmale und Anwendungen der Elektronenstrahlverarbeitung.

1. Elektronenstrahlen haben einen kleinen Durchmesser. Elektronenstrahlen können auf eine sehr kleine Größe fokussiert werden, mit einem Durchmesser, der sogar auf 0,01 μm fokussiert werden kann. Die Länge des Elektronenstrahls kann das Zehnfache des Durchmessers betragen, so dass er geeignet ist für Tieflochbearbeitung und mikrofeine Bearbeitung.
2. Elektronenstrahlen haben eine hohe Energiedichte. Wenn der Elektronenstrahl auf einen Punkt mit einem Durchmesser von einigen Mikrometern fokussiert wird, kann die Energiedichte 10^9 W/cm² erreichen, was ausreicht, um jedes Material zu schmelzen und zu verdampfen.
3. Hohe Produktionseffizienz. Aufgrund der hohen Energiedichte und Energienutzungseffizienz von Elektronenstrahlen beträgt die Bearbeitungszeit für Werkstücke unterschiedlicher Materialien und Lochgrößen in der Regel nur wenige zehn Sekunden, selbst für Werkstücke mit einer Dicke von etwa 5 mm.
4. Große Auswahl an zu bearbeitenden Materialien. Die Elektronenstrahlbearbeitung beruht auf thermischen und chemischen Effekten. Der thermische Einflussbereich kann sehr klein sein, und die Bearbeitung erfolgt unter Vakuumbedingungen, was eine hohe chemische Reinheit am Bearbeitungsort gewährleistet. Daher eignet sie sich für die Bearbeitung verschiedener harter, spröder und duktiler Metalle und nichtmetallischer Werkstoffe, wärmeempfindlicher Materialien, oxidierbarer Metalle und Legierungen, hochreiner Halbleitermaterialien usw.
5. Minimale Verformung des Werkstücks. Die Elektronenstrahlbearbeitung ist eine berührungslose Bearbeitungsmethode. Während der Bearbeitung gibt es keine offensichtliche mechanische Schnittkraft zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück, was zu minimalen makroskopischen Spannungen und Verformungen führt. Sie eignet sich für die Bearbeitung leicht verformbarer Teile.
6. Einfache Automatisierung. Die Elektronenstrahlen können schnell und genau in Bezug auf Intensität, Strahldurchmesser und Position durch magnetische oder elektrische Felder gesteuert werden, was einen hohen Automatisierungsgrad ermöglicht. Es eignet sich für die Bearbeitung von runden Löchern, unregelmäßigen Löchern, Sacklöchern, konischen Löchern und komplexen dreidimensionalen Strukturen.

Die Anwendungen der Elektronenstrahltechnologie sind vielfältig und umfassen unter anderem.

1. Elektronenstrahlschweißen: Elektronenstrahlen können für das Hochpräzisionsschweißen verschiedener Materialien verwendet werden, darunter Metalle, Legierungen und ungleiche Materialien. Dieses Verfahren ist in Branchen wie der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt und der Elektronik weit verbreitet.
2. Bohren mit Elektronenstrahlen: Elektronenstrahlen können präzise Löcher in Materialien wie Metalle, Keramiken und Halbleiter bohren. Es wird für Anwendungen wie Kraftstoffeinspritzdüsen, Kühlöffnungen in Turbinenschaufeln und mikrofluidische Geräte verwendet.
3. Oberflächenbehandlung mit Elektronenstrahlen: Elektronenstrahlen können die Oberflächeneigenschaften von Werkstoffen verändern, z. B. durch Verbesserung der Härte, Verschleißfestigkeit oder Korrosionsbeständigkeit. Sie wird z. B. im Werkzeug- und Formenbau, bei der Oberflächenhärtung von Bauteilen und beim Aufbringen von Beschichtungen eingesetzt.
4. Additive Fertigung mit Elektronenstrahlen (EBAM): Elektronenstrahlen können in additiven Fertigungsverfahren eingesetzt werden, um Metallpulver zu schmelzen und Schicht für Schicht zu verfestigen, wodurch komplexe dreidimensionale Strukturen entstehen. EBAM wird für das Rapid Prototyping, die Herstellung kundenspezifischer Komponenten sowie in der Luft- und Raumfahrt und der Medizintechnik eingesetzt.
5. Elektronenstrahl-Lithographie: Elektronenstrahlen können in der Nanolithografie eingesetzt werden, um Muster und Strukturen auf Halbleiterscheiben oder anderen Substraten mit hoher Präzision zu erzeugen. Sie ist eine Schlüsseltechnologie für die Halbleiterherstellung und die Nanotechnologieforschung.
6. Elektronenstrahl-Bearbeitung: Elektronenstrahlen können zur Präzisionsbearbeitung von Werkstoffen eingesetzt werden, z. B. zum Schneiden, Nuten und Formen. Sie wird bei Anwendungen eingesetzt, bei denen hohe Genauigkeit und feine Details erforderlich sind, wie in der Mikroelektronik und Mikrooptik.

Vorteile:

1. Hohe Präzision: Mit der Technologie der mikrofeinen Hochenergiestrahlbearbeitung kann eine Bearbeitungsgenauigkeit im Nanometerbereich erreicht werden, was die Herstellung komplizierter Strukturen und Merkmale ermöglicht.
2. Kleine wärmebeeinflusste Zone: Der fokussierte Charakter von Hochenergiestrahlen ermöglicht eine lokale Erwärmung und eine minimale thermische Diffusion, wodurch die Wärmeeinflusszone reduziert und die Materialverformung oder -beschädigung minimiert wird.
3. Vielseitigkeit: Die Bearbeitung mit mikrofeinen Hochenergiestrahlen kann auf eine Vielzahl von Materialien angewendet werden, darunter Metalle, Keramiken, Halbleiter und Polymere.
4. Berührungslose Bearbeitung: Die berührungslose Bearbeitung mit Hochenergiestrahlen minimiert den Werkzeugverschleiß und ermöglicht die Bearbeitung von empfindlichen oder zerbrechlichen Materialien.
5. Hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit: Hochenergetische Strahlen können in kurzer Zeit eine große Energiemenge auf das Werkstück übertragen, was zu einer hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit und einer hohen Produktionseffizienz führt.

Beschränkungen:

1. Komplexität und Kosten der Ausrüstung: Die für die Bearbeitung mit mikrofeinen Hochenergiestrahlen erforderliche Ausrüstung kann komplex und teuer sein, was sie für kleine Betriebe weniger zugänglich macht.
2. Sicherheitserwägungen: Hochenergetische Strahlen können ein Sicherheitsrisiko darstellen und erfordern entsprechende Sicherheitsmaßnahmen und kontrollierte Umgebungen, um die Sicherheit von Bedienern und Geräten zu gewährleisten.
3. Begrenzte Bearbeitungstiefe: Die Bearbeitungstiefe bei der Bearbeitung mit mikrofeinen Hochenergiestrahlen ist in der Regel aufgrund der Energieabsorptionseigenschaften der Materialien begrenzt, was die Anwendbarkeit für bestimmte Anwendungen einschränken kann.
4. Grenzen des Materials: Die Bearbeitung mit mikrofeinen Hochenergiestrahlen kann zwar bei einer Vielzahl von Materialien angewandt werden, aber die Wirksamkeit und Durchführbarkeit kann je nach den spezifischen Materialeigenschaften und -merkmalen variieren.

Insgesamt bietet die Technologie der mikrofeinen Hochenergiestrahlverarbeitung, wie z. B. die Elektronenstrahlverarbeitung, eine leistungsstarke und präzise Methode für die Herstellung und Verarbeitung von Materialien mit Anwendungen in verschiedenen Branchen. Ihre Fähigkeit zur Bearbeitung im Mikro- und Nanomaßstab eröffnet neue Möglichkeiten für fortschrittliche Fertigung, Miniaturisierung und hochpräzise Anwendungen.