Elektronový svazek v moderní výrobě

Elektronová tryska

Katodové paprsky, jak se dříve elektronovému svazku říkalo, byly objeveny v 19. století. Praktického využití se dočkaly zejména v éře elektronek. K vytvoření elektronového svazku slouží elektronová tryska, někdy též označovaná jako elektronové dělo. Potřebujeme-li svazek soustředit na malou plochu, je vhodná tryska s bodovým zdrojem elektronů (obrázek 1).

Elektronový svazek paprsků lze odklonit a nechat jej dopadat jinam. Vychylovací systém je většinou, tak jako u televizních obrazovek, magnetický. Výhoda oproti mechanickému způsobu je, že polohování nemá téměř žádnou setrvačnost, což umožňuje přesouvat svazek obrovskými rychlostmi (až tisíce metrů za sekundu) a téměř okamžitě jej v cílovém bodě zastavit.

Ve vzduchu o atmosférickém tlaku je volná dráha elektronů velice krátká. Aby nebyl svazek rozptylován kolizemi s molekulami vzduchu, je nutné dosáhnout v celém zařízení vakua. To je sice technická komplikace, na druhou stranu jsou zpracovávané materiály chráněny před reakcemi s okolní atmosférou.

Obrábění

Poprvé, pokud je známo, byl elektronový svazek použit k obrábění při vytváření clonek s miniaturními otvory pro elektronové mikroskopy, a to přímo svazkem v mikroskopu. ¹⁾ V roce 1949 německý fyzik Karl-Heinz Steigerwald se spolupracovníky zahájil výzkum tepelného působení svazku, který v roce 1952 vyústil v konstrukci prvních průmyslově použitelných vrtacích zařízení. Ze všech uvedených technologií vyžaduje obrábění nejvyšší výkonovou hustotu svazku potřebnou k odpaření materiálu. Moderní zařízení dosahují úctyhodné produktivity až 3000 „vyvrtaných“ otvorů za sekundu. Nejmenší dosahované průměry otvorů se pohybují okolo 25 µm a poměr hloubky k průměru otvoru je až 25 : 1. ²⁾

Svařování

Svařování elektronovým svazkem je zřejmě nejrozšířenější z uvedených technologií. Pro svoje charakteristické a unikátní vlastnosti si vydobylo pevné postavení v mnoha významných průmyslových odvětvích. Historie začala v padesátých letech 20. století. Jedna z prvních elektronových svářeček v bývalém Československu vznikla nedlouho po první publikaci ³⁾ v roce 1963 i v Ústavu přístrojové techniky v Brně.

Při svařování zaostřený svazek zahřívá materiál spojovaných součástek na teplotu vyšší, než je teplota tavení. Při dobře sesazených komponentech se tavenina na rozhraní promísí a po vychladnutí vzniká pevný spoj. Svazek má díky hloubkovému efektu schopnost pronikat pod povrch vysokou rychlostí. To umožňuje vytvářet velmi hluboké průvary (až 200 mm), které navíc vynikají minimální šířkou tepelně ovlivněné oblasti. Zároveň existuje jako protipól oblast svarů s rozměry v setinách milimetru (viz obrázek 2) i menšími. K dalším charakteristickým rysům elektronového svařování patří malá deformace součástí po vychladnutí, velká přesnost a reprodukovatelnost, možnost svařovat obtížně svařitelné kovy a kombinace různých kovů, které jinou metodou svařit nelze.

Tepelné zpracování povrchové vrstvy

Nové možnosti tepelného zpracování kovů přináší schopnost intenzivního elektronového svazku zahřát vysokou rychlostí malý objem materiálu doplněná o jeho rychlé a přesné vychylování. Při povrchovém tvrzení se využívá to, že po velmi krátkém ohřevu tenké povrchové vrstvy je teplo rychle odváděno do hloubky, a tím se materiál zakalí. Žíhání umožňuje lokální rekrystalizaci materiálu. Přetavení povrchové vrstvy se uplatní například při zhutňování licích slitin, popřípadě při úpravě porézních povlaků. Při legování se roztaví tenká vrstva materiálu spolu s deponovanou vrstvou vhodné příměsi. Při plátování je přidaná vrstva materiálu přitavena celoplošně. Disperzním přetavením jsou rozptýleny drobné tvrdé částice v tavenině, a tím vzroste otěruvzdornost materiálu.

Texturování a gravírování

Numerické řízení polohy místa dopadu svazku lze využít k tvorbě obecných textur na povrchu materiálu. Parametry procesu a vlastnosti materiálu pak rozhodují, jestli se materiál jen přetaví, nebo se odpaří a vytvoří se v něm prohlubeň. Tímto postupem lze vytvářet značky či nápisy na povrchu součástek, například „vyrazit“ sériové číslo svaru s logem firmy apod., nebo dokonce přenést na kovovou podložku fotografii (obrázek 3).

Aditivní postupy pro rychlou prototypovou výrobu

Díky této pozoruhodné technice lze vyrobit trojrozměrnou kovovou součást na základě virtuálního modelu v počítači. Princip spočívá v postupném vytváření součásti (vrstvu po vrstvě) z kovového prášku umístěného v nádobě s pohyblivým dnem. Elektronový svazek je vychylován po povrchu prášku, přičemž přetaví oblast odpovídající řezu daného objektu v příslušné rovině. Poté je dno nádoby sníženo a nanesen další prášek. Ten je zase lokálně roztaven, přičemž se propojí s předchozí vrstvou. Proces se opakuje tak dlouho, až je objem tělesa kompletní. Z materiálů se používá například čistý titan a jeho slitiny. Postup se hodí například k výrobě medicínských implantátů na míru (podle podkladů z počítačové tomografie) či nových součástek pro ověření funkčnosti výroby. ⁴⁾