tecnología de procesamiento por haz de electrones

Principios, características y aplicaciones de la tecnología de procesamiento por haz de electrones. Definición de procesamiento microfino por haz de alta energía. Por haz de alta energía se entiende un haz de alta densidad energética, como un haz láser, un haz de electrones, un plasma o un haz de iones. La tecnología de procesamiento de haces de alta energía se refiere al uso de haces de alta energía para la fabricación y el procesamiento de materiales o componentes, incluida la soldadura, la fabricación aditiva y la ingeniería de superficies. La tecnología de procesamiento microfino por haz de alta energía es una técnica avanzada de microfabricación que utiliza haces de alta energía para inducir el calentamiento, la fusión, la vaporización, el plasma y otros fenómenos físicos en los materiales, con fines como la eliminación, la unión, el crecimiento y la modificación de materiales. Debido a la capacidad de los haces de alta energía para ser enfocados a un tamaño extremadamente pequeño, con diámetros de haz que van de 100 nm a 0,1 μm, y logrando una precisión de procesamiento a nivel nanométrico, es un método de procesamiento ultrafino.

Tecnología de procesamiento por haz de electrones

1. Principios del procesamiento por haz de electrones.

El procesamiento por haz de electrones se refiere a la emisión de un haz de electrones desde un cátodo calentado en condiciones de vacío. El haz de electrones cargados negativamente vuela hacia el ánodo, se acelera a través de un electrodo acelerador y se enfoca mediante lentes electromagnéticas. Esto da lugar a una densidad de energía altamente concentrada, con energía concentrada en puntos con diámetros que van de 0,1 a 10 μm, alcanzando densidades de energía de 10^6 a 10^9 W/cm². El impacto a alta velocidad sobre la superficie de la pieza convierte una gran parte de la energía en calor en un tiempo extremadamente corto, elevando la temperatura del material impactado a miles de grados centígrados, provocando su fusión y vaporización. El material residual generado durante el impacto es evacuado por el sistema de vacío.

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1.1 Principio del tratamiento por haz de electrones.

La figura 1.2 ilustra diversas técnicas de procesamiento que utilizan los efectos térmicos de los haces de electrones. La figura 1.2(a) indica que cuando se irradia con baja densidad de potencia, la temperatura de saturación de la parte central del haz de electrones se aproxima a la temperatura de fusión. En este punto, la evaporación es lenta y el pozo de fusión es grande, por lo que resulta adecuado para el tratamiento de superficies con haz de electrones para mejorar la dureza y resistencia de la superficie. La figura 1.2(b) se refiere al fenómeno de fusión, vaporización y evaporación cuando se irradia con una densidad de potencia media. Si el material es transparente, pueden observarse algunas estructuras en forma de burbuja, que se solidifican en su estado original tras la irradiación. La irradiación con densidad de potencia media puede utilizarse para la soldadura por haz de electrones. La figura 1.2(c) se refiere al principio del taladrado por haz de electrones cuando se irradia con alta densidad de potencia. La temperatura de saturación de la parte central del haz de electrones supera con creces la temperatura de vaporización. Debido a que la presión dentro de las burbujas es mayor que la tensión superficial de la capa fundida, el material es expulsado desde la entrada del haz de electrones y procesado eficazmente en la dirección de profundidad. Este es el principio de la perforación por haz de electrones. Para materiales metálicos en general, se requiere una densidad de potencia de 10^6 a 10^9 W/cm². Además del taladrado y el ranurado, los haces de electrones de alta densidad de potencia también pueden utilizarse para la fabricación de componentes de película fina en circuitos integrados utilizando la evaporación para obtener películas de deposición de alta pureza.

1.2 Tratamiento mediante haces de electrones.

2. Características y aplicaciones del procesamiento por haz de electrones.

1. Los haces de electrones tienen un diámetro pequeño. Los haces de electrones pueden enfocarse hasta un tamaño muy pequeño, con un diámetro que puede incluso enfocarse hasta 0,01 μm. La longitud del haz de electrones puede ser decenas de veces superior al diámetro, lo que lo hace adecuado para mecanizado de agujeros profundos y mecanizado microfino.
2. Los haces de electrones tienen una gran densidad de energía. Cuando el haz de electrones se enfoca sobre un punto de varios micrómetros de diámetro, la densidad de energía puede alcanzar los 10^9 W/cm², suficiente para fundir y vaporizar cualquier material.
3. Alta eficiencia de producción. Debido a la alta densidad de energía y la eficiencia de utilización de energía de los haces de electrones, el tiempo de procesamiento de piezas de trabajo de diferentes materiales y tamaños de orificio es generalmente de sólo unas pocas decenas de segundos, incluso para piezas de trabajo con un espesor de aproximadamente 5 mm.
4. Amplia gama de materiales para procesar. El procesamiento por haz de electrones se basa en efectos térmicos y químicos. El rango de influencia térmica puede ser muy pequeño y el procesamiento se realiza en condiciones de vacío, lo que garantiza una gran pureza química en el lugar de procesamiento. Por lo tanto, es adecuado para procesar diversos metales duros, quebradizos y dúctiles y materiales no metálicos, materiales sensibles al calor, metales y aleaciones oxidables, materiales semiconductores de alta pureza, etc.
5. Deformación mínima de la pieza. El mecanizado por haz de electrones es un método de mecanizado sin contacto. Durante el mecanizado, no existe ninguna fuerza mecánica de corte evidente entre la herramienta y la pieza, lo que provoca una tensión y una deformación macroscópicas mínimas. Es adecuado para procesar piezas fácilmente deformables.
6. Fácil automatización. Los haces de electrones pueden controlarse con rapidez y precisión en términos de intensidad, diámetro del haz y posición mediante campos magnéticos o eléctricos, lo que permite un alto grado de automatización. Es adecuado para procesar orificios circulares, orificios irregulares, orificios ciegos, orificios cónicos y estructuras tridimensionales complejas.

Las aplicaciones de la tecnología de procesamiento por haz de electrones son diversas e incluyen.

1. Soldadura por haz de electrones: Los haces de electrones pueden utilizarse para la soldadura de alta precisión de diversos materiales, incluidos metales, aleaciones y materiales distintos. Se utiliza mucho en industrias como la automovilística, la aeroespacial y la electrónica.
2. Taladrado con haz de electrones: Los haces de electrones pueden perforar orificios precisos en materiales como metales, cerámicas y semiconductores. Se utiliza en aplicaciones como boquillas de inyección de combustible, orificios de refrigeración en álabes de turbinas y dispositivos microfluídicos.
3. Tratamiento de superficies con haces de electrones: Los haces de electrones pueden modificar las propiedades superficiales de los materiales, como la mejora de la dureza, la resistencia al desgaste o la resistencia a la corrosión. Se utiliza en aplicaciones como la fabricación de herramientas y matrices, el endurecimiento superficial de componentes y la deposición de recubrimientos.
4. Fabricación aditiva por haz de electrones (EBAM): Los haces de electrones pueden utilizarse en procesos de fabricación aditiva para fundir y solidificar polvos metálicos capa por capa, creando complejas estructuras tridimensionales. La EBAM se utiliza para la creación rápida de prototipos, la producción de componentes personalizados y en las industrias aeroespacial y médica.
5. Litografía por haz de electrones: Los haces de electrones pueden utilizarse en nanolitografía para crear patrones y estructuras en obleas de semiconductores u otros sustratos con gran precisión. Es una tecnología clave en la fabricación de semiconductores y la investigación nanotecnológica.
6. Mecanizado por haz de electrones: Los haces de electrones pueden utilizarse para el mecanizado de precisión de materiales, como corte, ranurado y conformado. Se utiliza en aplicaciones que requieren gran precisión y detalles finos, como la microelectrónica y la microóptica.

Ventajas:

1. Alta precisión: La tecnología de procesamiento microfino por haz de alta energía puede alcanzar una precisión de procesamiento nanométrica, lo que permite la fabricación de estructuras y características complejas.
2. Zona afectada por el calor reducida: La naturaleza focalizada de los haces de alta energía permite un calentamiento localizado y una difusión térmica mínima, lo que reduce la zona afectada por el calor y minimiza la distorsión o el daño del material.
3. Versatilidad: El procesamiento microfino por haz de alta energía puede aplicarse a una amplia gama de materiales, incluidos metales, cerámicas, semiconductores y polímeros.
4. Procesado sin contacto: La naturaleza sin contacto del procesado por haz de alta energía minimiza el desgaste de la herramienta y permite procesar materiales delicados o frágiles.
5. Alta velocidad de procesamiento: los haces de alta energía pueden suministrar una gran cantidad de energía a la pieza de trabajo en poco tiempo, lo que se traduce en velocidades de procesamiento rápidas y una alta eficiencia de producción.

Limitaciones:

1. Complejidad y coste del equipo: El equipo necesario para el tratamiento microfino con haces de alta energía puede ser complejo y caro, lo que lo hace menos accesible para las operaciones a pequeña escala.
2. Consideraciones de seguridad: Los haces de alta energía pueden plantear riesgos para la seguridad, por lo que se requieren medidas de seguridad adecuadas y entornos controlados para garantizar la seguridad del operador y del equipo.
3. Profundidad de procesamiento limitada: La profundidad de procesamiento en el procesamiento microfino por haz de alta energía suele ser limitada debido a las características de absorción de energía de los materiales, lo que puede restringir la aplicabilidad a determinadas aplicaciones.
4. Limitaciones de los materiales: Aunque el procesamiento microfino por haz de alta energía puede aplicarse a una amplia gama de materiales, la eficacia y la viabilidad pueden variar en función de las propiedades y características específicas del material.

En general, la tecnología de procesamiento microfino por haz de alta energía, como el procesamiento por haz de electrones, ofrece un método potente y preciso para fabricar y procesar materiales con aplicaciones en diversas industrias. Su capacidad para lograr el procesamiento a microescala y nanoescala abre nuevas posibilidades para la fabricación avanzada, la miniaturización y las aplicaciones de alta precisión.