ΚΟΠΗ ΜΕ ΔΕΣΜΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ( Ε.Β.Μ) ELECTRON BEAM MACHINING

ΚΟΠΗ ΜΕ ΔΕΣΜΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ( Ε.Β.Μ) ELECTRON BEAM MACHINING

Τι είναι η ΕΒΜ; Ιστορική Αναδρομή Κοπή Μαθηματική Περιγραφή της διαδικασίας Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Εφαρμογές State of the Art Βιβλιογραφία 2

Τι είναι η ΕΒΜ; Η κοπή με δέσμη ηλεκτρονίων (ΕΒΜ) είναι μια θερμική διεργασία αφαίρεσης υλικού που χρησιμοποιεί μια εστιασμένη δέσμη υψηλής ταχύτητας ηλεκτρονίων με στόχο την υψηλής ταχύτητας διάτρηση και κοπή. Η θέρμανση του υλικού επιτυγχάνεται όταν υψηλής ταχύτητας ηλεκτρόνια χτυπούν το κομμάτι εργασίας. Κατά την κρούση, η κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων μετατρέπεται σε θερμότητα η οποία είναι απαραίτητη για την ταχεία τήξη και εξάτμιση κάθε υλικού. 3

Ιστορική Αναδρομή Ο Steigerwald (1961) απεικόνισε την ανάπτυξη ως εξής: Η απαίτηση για τα διαφράγματα σε ηλεκτρονικά μικροσκόπια των 50 μ διάμετρο ή μικρότερη παρείχαν τους πρώτους στόχους για διάτρηση με δέσμη ηλεκτρονίων. Το 1938, ο Μ. von Ardenne αποκάλυψε μια συσκευή για τη διάνοιξη διαφραγμάτων με μοριακές ακτίνες. Ο Bas όμως το 1960 παραθέτει μία ευρεσιτεχνία για την ιδέα του της αφαίρεσης υλικού με δέσμη ηλεκτρονίων που χορηγήθηκε από τον von Bories (1942). Τέλος ο Steigerwald και οι συνεργάτες του άρχισαν εργάζονται σε διάφορες εφαρμογές της υψηλής τάσης δέσμες ηλεκτρονίων το 1948. Οι πρώτες μηχανές άρχισαν να χρησιμοποιούνται περίπου το 1959. 4

Κοπή Η διαδικασία της ΕΒΜ αρχίζει εφόσον το κομμάτι έχει τοποθετηθεί στη βάση εργασίας και έχει επιτευχθεί κενό. Η δημιουργία μιας τρύπας από μια δέσμη ηλεκτρονίων πραγματοποιείται σε τέσσερα στάδια. 1. Η δέσμη ηλεκτρονίων εστιάζεται πάνω στο κομμάτι εργασίας σε διάμετρο που είναι ελαφρώς μικρότερη από την επιθυμητή τελική διάμετρο οπής. 5

2. Η ισχύς ρυθμίζεται έτσι ώστε η δέσμη ηλεκτρονίων να δημιουργήσει μια πυκνότητα ισχύος στο κομμάτι εργασίας άνω των 108 W/cm2 (1,5 x 107 W/in2). Η πυκνότητα ισχύος αυτού του μεγέθους είναι περισσότερο από επαρκής για την άμεση τήξη οποιουδήποτε υλικού, ανεξάρτητα από τη θερμική αγωγιμότητα ή το σημείο τήξης. 6

3. Η διάτρηση επιτυγχάνεται μέσω του συνδυασμού ενός παλμού από μια δέσμη ηλεκτρονίων και από ένα οργανικό ή συνθετικό υπόστρωμα (βοηθητικό) υλικό, το οποίο εφαρμόζεται στην πλευρά εξόδου της επιφάνειας που έχει διατρηθεί. Όταν η δέσμη αυτή έρχεται σε επαφή με το αντικείμενο εργασίας, προκαλείται άμεσα τοπική θέρμανση, τήξη και εξάτμιση. 7

4.Ως αποτέλεσμα της συγκριτικά υψηλής πίεσης του ατμού υλικού υποστήριξης, τα τηγμένα τοιχώματα αποβάλλονται σε ένα «ντουζ» σπινθήρων αφήνοντας μια τρύπα στο κομμάτι εργασίας και ένα μικρό βαθούλωμα στο υλικό υποστήριξης. 8

Το παρακάτω σχήμα αναπαριστά το πιστόλι δέσμης ηλεκτρονίων, το οποίο είναι η καρδιά κάθε μηχανουργικής κατεργασίας με δέσμη ηλεκτρονίων. Η βασική λειτουργία του είναι να παράγει ελεύθερα ηλεκτρόνια στην κάθοδο, να τα επιταχύνει σε μία επαρκώς μεγάλη ταχύτητα και να τις συγκεντρώσει σε ένα μικρό εστιακό μέγεθος. Η κεφαλή της καθόδου είναι υψηλά αρνητικά πολωμένη, έτσι ώστε τα θερμικά ιονισμένα ηλεκτρόνια να απωθούνται έντονα από την κάθοδο. Ακριβώς μετά την κάθοδο υπάρχει ένα δακτυλιοειδές πλέγμα πόλωσης. Η φύση της πόλωσης ακριβώς μετά την κάθοδο ελέγχει τη ροή των ηλεκτρονίων και το πλέγμα πόλωσης χρησιμοποιείται ως διακόπτης που χειρίζεται το πιστόλι δέσμης ηλεκτρονίων κατά την παλμική εκπομπή 9

Τέτοιο κενό επιτυγχάνεται και διατηρείται χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό περιστροφικής αντλίας και αντλίας διάχυσης. Η αντλία διάχυσης, όπως φαίνεται και στο σχήμα, επισυνάπτεται στη θύρα της αντλίας διάχυσης στο πιστόλι δέσμης ηλεκτρονίων και λειτουργεί ως θερμαντήρας λαδιού. το λάδι θερμαίνεται, ο ατμός του πηγαίνει προς τα πάνω όπου σταδιακά υπάρχουν συγκλίνουσες δομές. τα ακροφύσια αλλάζουν την κατεύθυνση της κίνησης των ατμών του λαδιού και οι ατμοί των λαδιών αρχίζουν να κινούνται προς τα κάτω με υψηλή ταχύτητα σαν τζετ. εισέρχονται τα μόρια που υπάρχουν μέσα στο πιστόλι. Το λάδι αυτό εκκενώνεται με μια περιστροφική αντλία μέσω της γραμμής υποστήριξης. Οι ατμοί του λαδιού συμπυκνώνονται λόγω της παρουσίας ενός χιτωνίου ψύξης του νερού γύρω από την αντλία διάχυσης. 10

Οι σημαντικότεροι παράμετροι της διαδικασίας είναι: 1. Το ρεύμα της δέσμης ρυθμίζεται συνεχώς από περίπου 200μΑ έως 1 Α. 2. η διάρκεια του παλμού επηρεάζει τόσο το βάθος όσο και τη διάμετρο της οπής 3. το ρεύμα των φακών καθορίζει την απόσταση μεταξύ του εστιακού σημείου και της απόστασης εργασίας του πιστολιού δέσμης ηλεκτρονίων. Επίσης καθορίζει το μέγεθος του εστιακού σημείου πάνω στο κατεργαζόμενο τεμάχιο. 4. η εκτροπή της δέσμης του σήματος 11

Μαθηματική Περιγραφή της διαδικασίας Η προσπάθεια ανάπτυξης μαθηματικών σχέσεων αποτυπώνεται παρακάτω για τον προσεγγιστικό υπολογισμό διαφόρων μεγεθών : 1. Εξάτμιση του υλικού 1 m [ m ( T ) m ]ds dt 1 0 2 1 T 0 S 1 m0(t) είναι ο ρυθμός εξάτμισης ανά μονάδα επιφανείας και η θερμοκρασία Τ είναι μια περιοδική συνάρτηση με περίοδο τ,της θέσης της απειροστής επιφάνειας ds. Log m A B DT Log T C CT C C 0 10 0 10 M m0 P( ) 2πRT 1 2 12

2. Απόδοση της θερμικής κατεργασίας n T W W 1 e Η εφαρμοζόμενη ισχύς υπολογίζεται από τον τύπο We E I ζf 0 0 0 E0 : η εφαρμοζόμενη τάση I0 : το πλάτος του εναλλασσόμενου ρεύματος (Α) ζ : το μήκος κύματος (sec) f0 : η συχνότητα του παλμού (sec-1) και η αξιοποιήσιμη δύναμη W 2R T M 0 0 1 m1( ) m1 : ολικός ρυθμός εξάτμισης (kg sec-1) λ0 : η ενέργεια που απαιτείται σε Joule για να εξατμιστεί 1 kmol υλικού στους 0 Κ 2R0T : η ενέργεια ανά kmol του ατμού καθώς απομακρύνεται από την επιφάνεια Μ : η μάζα ενός kmol αερίου 13

Έχοντας αναπτύξει τις σχέσεις που δίνουν την εφαρμοζόμενη και την αξιοποιήσιμη ισχύ της ακτίνας,η απόδοση της κατεργασίας δίνεται από τον εξής τύπο : n T m1( 0 2 R0T ) ME I f 0 0 0 Παρακάτω είναι ο 2ος ορισμός για την απόδοση της κατεργασίας, δηλαδή αυτός του ολικού ρυθμού εξάτμισης του υλικού προς την αντίστοιχη θεωρητική του τιμή, αν η απόδοση ήταν ίση με 1 n T m m 1 1max 14

3. Απώλειες Η ολική ισχύς που παρέχει η ακτίνα ηλεκτρονίων καθώς απομακρύνεται από το πιστόλι είναι : W W W W W e 1 2 3 4 Οι δυνάμεις W3,W4 που στην πράξη είναι αμελητέες όπως και η W2 προσδιορίζονται προσεγγιστικά βάσει των παρακάτω εξισώσεων. 4 W3 A0 0 με A0 την περιοχή της τρύπας, σ0 η σταθερά Stephan-Boltzmann και Τα η θερμοκρασία στο μέσο της περιοχής που ακτινοβολείται. W I f 4 0 0 2 de ζdρ dr W FndS dt 2 2 0 S με την πυκνότητα των αερίων να υπολογίζεται από τον τύπο m1 Av 0 15

Η εύρεση της κατανομής της θερμοκρασίας είναι αυτή που δυσχεραίνει τον υπολογισμό του ολοκληρώματος, καθώς αποτελεί συνάρτηση του χώρου και του χρόνου και προκύπτει από την επίλυση της μερικής διαφορικής εξίσωσης 1 d T Q( x, y, z) 2T dt K 16

4. Ενεργές δυνάμεις κατά τη διάρκεια της κατεργασίας α) Electron pressure: f J m v e e e e fe η electron pressure [Ν/m2] me η μάζα των ηλεκτρονίων [kg] ve η ταχύτητα πρόσπτωσης της ακτίνας [m/sec] J είναι η πυκνότητα των ηλεκτρονίων [Amp/m2] όρος e αναφέρεται στο ηλεκτρικό φορτίο 17

β) Backpressure των εξατμισμένων ατόμων Η μελετώμενη πίεση οφείλεται στη μεταβολή του όγκου της παροχής της ροής και υπολογίζεται από: f a m u 0 a Η ατομική ταχύτητα ua είναι ίση με: u a 2kT ( ) mm p 0.5 Τέλος η ολική δύναμη που συνεπάγεται η backpressure η οποία είναι ίση με: F a m u με την υπόθεση ότι η απειροστή επιφάνεια m0 που ολοκληρώνεται για να προκύψει η m1, είναι επίπεδη. 1 a 18

γ) Επιφανειακή τάση Αναφέρεται στην γνωστή τάση που εμφανίζεται στα μόρια της επιφάνειας των μελετώμενων ρευστών,η οποία θέλει να τα συγκρατεί στην υγρή φάση. Η δύναμη που συνεπάγεται είναι ίση με: F s 2πbf s b ακτίνα της τρύπας fs η επιφανειακή τάση για την οποία δεν παρέχεται κάποιος τύπος. δ) Υδροστατική πίεση του τηγμένου υλικού Στην κατεργασία της κοπής με δέσμη ηλεκτρονίων συνήθως αμελείται. Η πίεση υπολογίζεται από τον τύπο fg ρgd και τη δύναμη που προκαλεί Fg 2 ρgdπb 19

Παρακάτω παρατίθεται ένα ομοιογράφημα μέσω του οποίου γίνεται μια προσέγγιση για τη συχνότητα δημιουργίας τρυπών στο κατεργαζόμενο τεμάχιο για δοσμένη διάμετρο και βάθος ή όγκο: 20

Πλεονεκτήματα 1. Μεγάλο εύρος των εφαρμογών της σε υλικά ανεξάρτητα από τις ιδιότητές τους. 2. Τα φορτία που ασκούνται προς το κατεργασία τεμάχιο δεν είναι μηχανικά και έτσι για τον αντίστοιχο εξοπλισμό χρειάζεται μικρότερο κόστος. 3. Η μεγάλη αποδοτικότητά της όταν η απελευθέρωση της ακτίνας είναι σε μορφή παλμών. Όπως υποδεικνύει ο παρακάτω πίνακας, για την παλμική δέσμη ο ρυθμός εξάτμισης υλικού που συνεπάγεται είναι κατά πολύ μεγαλύτερος από την αντίστοιχη σταθερού εύρους. 21

4. Η διαδικασία διένεξης τρύπας στο προς κατεργασία υλικό γίνεται με ιδιαίτερη ακρίβεια 5. τα θερμικά φαινόμενα συνήθως περιορίζονται σε μία λεπτή ζώνη στερεοποιημένου υλικού στην άκρη της τρύπας και σε θερμοεπηρεασμένη ζώνη Η ευελιξία του εξοπλισμού 22

Μειονεκτήματα Μη γραμμική συμπεριφορά των μεταβλητών Οι πολύ μικρές διαστάσεις Ο υπολογισμός του ρυθμού εξάτμισης είναι ιδιαίτερα δύσκολος και μπορεί να εισάγει σφάλμα μεγάλης τάξης μεγέθους λόγω της ραγδαίας μεταβολής της θερμοκρασίας με το χρόνο και τη θέση, που εμπλέκεται στην εξίσωση. Ως προς την πραγματοποίηση της κατεργασίας,ο εξοπλισμός που απαιτείται είναι αρκετά πολύπλοκος και εισάγει αντίστοιχα κόστη για την αγορά και συντήρησή του ενώ ο προγραμματισμός της μηχανής που θα απελευθερώσει τη δέσμη στις ανάγκες τις παραγωγής δεν είναι εύκολη υπόθεση. 23

Εφαρμογές Οι πιο πρόσφατες εφαρμογές της ΕΒΜ χρησιμοποιούνται στην αεροδιαστημική, στη μόνωση και στις βιομηχανίες ένδυσης, τροφίμων και χημικών. Ένα παράδειγμα νηματοποίησης φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, στο οποίο απαιτείται η διάνοιξη 11.766 τρυπών. Η διάνοιξη τρυπών me EBM (5 τρύπες/sec) είναι 100 φορές πιο γρήγορη από την εναλλακτική μέθοδο της EDM και τα αποτελέσματα σε ποσοστό παραγωγής είναι πολύ μεγαλύτερα. 24

Μια ιδιαίτερη χρήση της διάτρησης με δέσμη ηλεκτρονίων περιλαμβάνει τη βιομηχανία ένδυσης. Ένα ποσοστό από τα παπούτσια που παράγονται σήμερα είναι κατασκευασμένα από ένα τεχνητό δέρμα, που αποτελείται από μια πλαστική επικάλυψη-υπόστρωμα 25

Η διάνοιξη τέτοιων τρυπών με τη δέσμη ηλεκτρονίων πραγματοποιείται με ρυθμό 5000 τρύπες/sec. Επίσης με αυτή τη μέθοδο κατασκευάζονται και τεχνητοί βολβοί ματιών, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. 26

State of the art Αυτή η μηχανή είναι η τελευταία λέξη της τεχνολογίας της εταιρίας Sodick. http://www.youtube.com/watch?v=fdyusleapiq 27

Βιβλιογραφία 1. IIT Kharagpur, Non conventional Machining, Electron Beam and Laser Beam Machining, Version 2 ME 2. Ali Moarrefzadeh, Finite Element Simulation of Electron Beam Machining (EBM) Process 3. Robert Bakish, Introduction to Electron Beam Technology 4. ΡΩΜΑΝΑΣ ΔΗΜΗΤΡΗΣ, ΡΙΣΤΟΠΟΥΛΟΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ, ΧΩΡΙΑΝΟΠΟΥΛΟΣ ΜΑΡΚΟΣ, ΠΘ 28