Nove proizvodne tehnologije

VISOKA TEHNIČKA SKOLA SADRŽAJ: 1. UVOD........................................................................................................................... 2 2. FIZIKALNE OSNOVE DOBIJANJA VISOKOENERGETSKOG SNOPA ELEKTRONA.................. 3 3. OSNOVI PROCESA EBM-OBRADE................................................................................... 4 3.1. OBRADE ODVAJANJEM ČESTICA MATERIJALA......................................................... 5 3.2. TOPLOTNE OBRADE............................................................................................... 6 4. PROIZVODNE OPERACIJE EBM-OBRADE........................................................................ 7 5. STRUKTURA UREĐAJA ZA EBM-OBRADU....................................................................... 8 6. TEHNOLOŠKE KARAKTERISTIKE EBM-OBRADE............................................................... 11 6.1. UTICAJNI PARAMETRI NA PROCES OBRADE............................................................ 11 6.2. PROIZVODNOST, TAČNOST I KVALITET OBRADE..................................................... 13 7. PODRUČJE PRIMENE..................................................................................................... 16 7.1. OBRADE SKIDANJEM MATERIJALA.......................................................................... 16 7.1.1. Bušenje otvora elektronskim snopom.......................................................... 16 7.1.2. Izrada profilnih proreza i gravura................................................................. 19 7.1.3. Graviranje metala i keramike........................................................................ 19 7.1.4. Graviranje naparenih metalnih slojeva......................................................... 20 7.1.5. Sečenje elektronskim snopom...................................................................... 21 7.2. TOPLOTNE OBRADE POMODU SNOPA ELEKTRONA................................................. 21 7.2.1. Topljenje materijala...................................................................................... 21 7.2.2. Isparavanje materijala.................................................................................. 23 7.2.3. Zavarivanje.................................................................................................. 24 7.2.4. Kaljenje i površinsko oplemenjavanje........................................................... 27 8. JONSKA IMPLANTACIJA................................................................................................. 28 8.1. OSNOVNE KARAKTERISTIKE PROCESA.................................................................... 28 8.2. EFEKTI JONSKE IMPLANTACIJE................................................................................ 30 8.3. TRIBOLOŠKI ASPEKTI IMPLANTACIJE POVRŠINA..................................................... 31 9. ZAKLJUČAK................................................................................................................... 36 10. LITERATURA.................................................................................................................. 37

1

VISOKA TEHNIČKA SKOLA 1. UVOD: Razvoj i primena snopa elektrona za obradu materijala datira još od 1905. godine kada je patentiran postupak i uređaj za topljenje metala u visokom vakuumu bombardovanjem pomodu snopa elektrona. Ovaj uređaj je posedovao sve najvažnije karakteristike kasnijih uređaja za proizvodnju elektronskog snopa. Međutim, tek 1958. godine firma „Carl Zeiss” – Oberkochen SR Nemačka izradila je prvi industrijski uređaj za obradu skidanjem materijala i zavarivanje pomodu snopa elektrona, tako da se ova godina može smatrati pravim početkom primene snopa elektrona za obradu materijala. Šira primena jonske implantacije je ograničena nedostatkom pouzdanih preporuka za uslove i režime jonske implantacije za konkretne elemente tehničkih sistema. Površinski slojevi tretirani jonskom implantacijom doživljavaju kompleksne promene svojstava (hemijske, strukturne, fizičko-mehaničke, pa i geometrijske prirode), a očigledan, pozitivan efekat implantacije jona je povedanje mikrotvrdode veoma tankog površinskog sloja, kojim se najčešde i tumači poboljšanje triboloških svojstava implantiranih površina.

2

VISOKA TEHNIČKA SKOLA 2. FIZIKALNE OSNOVE DOBIJANJA VISOKOENERGETSKOG SNOPA ELEKTRONA Osnovu ove obrade čini visokoenergetski snop elektrona koji se dobija u uređaju čija je uprošdena šema prikazana na slici 1. Elektroni se isijavaju iz tanke volframove žice - katode zagrejane električnim putem na temperaturu od oko 2500 °C. Struja elektrona koja izlazi iz katode reguliše se i oblikuje pomodu čašaste Wehneltove elektrode. Zbog delovanja snažnog električnog polja između katode i anode, elektroni se ubrzavaju do vrlo visoke brzine νel kojom se u snopu kredu prema površini obratka. Na tom putu snop elektrona prolazi kroz sistem za oblikovanje i vođenje i završava se fokusiranjem na malu površinu obratka. Sve ovo se odvija u visokom vakuumu, kako bi se izbeglo rasipanje energije snopa elektrona pri sudaru sa molekulima gasova iz atmosfere.

Slika 1. Šema uređaja za obradu snopom elektrona 3

VISOKA TEHNIČKA SKOLA Fokusirani snop elektrona na površinu obratka predstavlja energetski snažan i vrlo precizan alat za obradu koji ima sledede važne karakteristike:  Postojan je za vreme obrade, tj. nema habanja ni drugih promena tokom obrade koje bi uticale na tačnost;  Precizan je i vrlo malih dimenzija, pa kao takav može da obradi filigranski složene konture sa oštrim ivicama i malim prelaznim radijusima;  Univerzalan je, jer se bez ikakvih promena, naravno osim energetskih, koristi za bušenje otvora, glodanje gravura, sečenje, zavarivanje, i dr, što znači da nema uobičajenih priprema i izmena alata tokom obrade;  Radi bezkontaktno, pa prema tome ne vrši nikakav pritisak na obradak i ne deformiše ga, što je veoma važno kod obrade delova osetljivih na spoljašne sile, odnosno deformacije;  Mogude je bezinercijalno pomeranje snopa elektrona pri obradi pomodu magnetnih sočiva za skretanje u krugu od nekoliko cm, što omoguduje vrlo visoke brzine obrade, naročito kod primene ovog postupka za perforiranje limova. 3. OSNOVI PROCESA EBM-OBRADE Fokusirani snop ubrzanih elektrona udara u površinu obratka i tu dolazi do pretvaranja njegove kinetičke energije u toplotu. Razvijena toplota izaziva čitav niz termičkih procesa kao što su: zagrevanje, topljenje, isparavanje i sagorevanje materijala, uz pojavu eksplozivnog izbacivanja rastopljenog dela i čvrstih čestica materijala obratka. Energija snopa elektrona, pored zagrevanja materijala obratka, troši se još i na toplotno i rentgensko zračenje. Ovo poslednje se javlja iz dubine materijala i poput drugih kvantnih zračenja, biološki je štetno za ljude ako je njegov intenzitet iznad određenog nivoa. To namede potrebu da se pri gradnji i eksploataciji uređaja preduzmu stroge mera zaštite u cilju smanjenja intenziteta ovog štetnog zračenja. Gubitak energije usled rendgenskog zračenja manji je od 1%. U zavisnosti od visine i načina korišdenja razvijene toplote, u osnovi se odigravaju dve vrste procesa obrade snopom elektrona: obrada odvajanjem čestica materijala i toplotna obrada.

4

VISOKA TEHNIČKA SKOLA 3.1. OBRADE ODVAJANJEM ČESTICA MATERIJALA Ukoliko se podesi snop elektrona visokog intenziteta i fokusira na vrlo malu površinu prečnika Ds, slika 2, sa kratkim vremenskim delovanjem od svega nekoliko μs, onda elektroni prodiru u tanak sloj materijala dubina δ, koja je manja od 100 μm, pa tako nastaje snažan površinski izvor toplote. Pretvaranje kinetičke energije elektrona u toplotu vrši se u ovom sloju praktično trenutno, što dovodi do isparavanja, sagorevanja i eksplozivnog izbacivanja rastopljenog materijala iz tog sloja (vidi ilustraciju na slici 2). S obzirom na vrlo visoke temperature na koje je zagrejan taj sloj materijala, koje se kredu od 4000 do 6000 K, može se pretpostaviti da dominira odvajanje materijala isparavanjem i sagorevanjem u odnosu na izbacivanje rastopljenog materijala i čvrstih čestica.

Slika 2. Šematski prikaz procesa obrade skidanjem materijala pomodu snopa elektrona Pri ovoj obradi se deo toplotne energije koji se iz zone delovanja snopa odvodi provođenjem svodi na najmanju mogudu meru. To se postiže vrlo visokim temperaturama u tankom sloju pregrejanog materijala zapremine , s obzirom da toplota provođenja raste ⁄ linearno, a pritisak isparavanja eksponencijalno sa temperaturom, kao i primenom impulsnog delovanja snopa elektrona, tako da impulsi pri kojima se postiže željeni efekat isparavanja traju od 10-6 do 10-7 s, dok je pauza između dva impulsa za 50 do 100 puta duža. Prema tome, za uspešno sprovođenje ove vrste obrade snopom elektrona moraju biti ispunjena dva bitna uslova: visoka koncentracija energije snopa, kojom se u kratkom vremenskom intervalu postižu visoke temperature i impulsni rad uređaja.

5

VISOKA TEHNIČKA SKOLA 3.2. TOPLOTNE OBRADE U ovu grupu spadaju obrade u kojima se razvijena toplota koristi za zagrevanje ili rastapanje materijala. Najvažniji predstavnik ove grupe je zavarivanje, pa se na njemu i objašnjava proces obrade, koji je u osnovi sličan kod svih vrsta toplotne obrade. Zavarivanje se ostvaruje delovanjem snopa elektrona određenog intenziteta na površinu obratka koja je nešto vedeg prečnika Ds, slika 3, nego kod prethodno opisane obrade, koji uz to deluje u dužem vremenskom intervalu. Pri tim parametrima obrade dolazi do isparavanja samo manjeg površinskog sloja materijala. Vedi deo materijala koji je zahvaden dejstvom snopa se intenzivno zagreva, a preko bočnih površina ova toplota se provodi u bližu okolinu, što ima za posledicu topljenje materijala u uskoj zoni delovanja snopa na velikoj dubini H.

Slika 3. Šematski prikaz procesa zavarivanja snopom elektrona Prestankom delovanja snopa ili pom obratka u odnosu na snop, dolazi do naglog hlađenja i očvršdavanja rastopljenog materijala. Ovakav način delovanja snopa elektrona koristi se za zavarivanje, tzv. dubinsko zavarivanje. Ako se snop elektrona pomera, npr. duž sastava dva lima ili dela, onda nastaje njihovo spajanje, tj. vrši se zavarivanje i to bez ikakvog dodatnog materijala. Ovim postupkom se mogu spajati i materijali koji se inače ne mogu zavarivati drugim postupcima, npr. keramika-keramika, metal-keramika i dr. 6

VISOKA TEHNIČKA SKOLA 4. PROIZVODNE OPERACIJE EBM-OBRADE Operacije obrade elektronskim snopom koje se koriste u mašinskoj industriji su brojne i raznovrsne od kojih se najvažnije šematski prikazane na slici 4.

Slika 4. Najvažnije operacije obrade snopom elektrona sa potrebnim kretanjima a) izrada uskih proreza; b) izrada ravnih gravura; c) izrada prostornih gravura; d) zavarivanje; e) sečenje; f) izrada cilindričnih ili koničnih rupa/otvora; g) perforiranje tankih limova; h) graviranje – označavanje delova; i) kaljenje i površinsko oplemenjavanje. Najvedi broj prikazanih operacija ostvaruje se odvajanjem čestica materijala, slika 4/a,b,c,e,f,g,h. One se izvode pomeranjem obratka ili skretanjem snopa elektrona, čime se postiže kontinualno skidanje tankog sloja materijala debljine δ, kako je opisano u prethodnoj tački. Način na koji se obrada odvija je vrlo sličan obradi klasičnim glodanjem ili bušenjem, pa se otuda za ovu obradu ponekad koristi i naziv „glodanje/bušenje snopom elektrona”. Kao što se iz navedenih primera vidi, snop elektrona se ovde koristi kao svojevrsno „glodalo”, odnosno „burgija” i može da izvodi sve one obrade koje izvode i klasični alati ove vrste. Za ovo su razvijene i posebne mašine, tzv. „elektronske glodalice” i one po pravilu imaju CNCupravljanje u više osa kako je to naznačeno uz svaku operaciju prikazanu na slici 4. Prethodno navedene operacije se mogu izvoditi u jedno ili više impulsnoj tehnici. Osim perforiranja tankih limova, kod koga se najčešde jednim impulsom izrađuje jedan otvor, ostale operacije se po pravilu izvode kao više impulsna obrada. 7

VISOKA TEHNIČKA SKOLA 5. STRUKTURA UREĐAJA ZA EBM-OBRADU Uređaj za EBM obradu sačinjava nekoliko karakterističnih jedinica koje se mogu analizirati kao zasebne celine, a to su:  Elektronsko-optički stub za dobijanje, oblikovanje i vođenje snopa elektrona, tzv. elektronski top;  Radna komora za smeštaj radnih predmeta pri obradi;  Vakuumska jedinica koja obezbeđuje potreban vakuum u elektronskom topu i radnoj komori;  Jedinica za nadzor i upravljanje procesom obrade i radom celog uređaja. Na slici 1, na kojoj je šematski prikazan uređaj za EBM-obradu, mogu se uočiti dve najvažnije jedinice, odnosno elektronski top i radna komora. Elektronski top, čiji spoljni izgled je prikazan na slici 5, sačinjavaju dva dela: izvor snopa elektrona, uključujudi i elemente za regulisanje njegove jačine, i sistem za oblikovanje i vođenje snopa elektrona.

Slika 5. Elektronsko-optički stub uređaja za EBM-obradu 8

VISOKA TEHNIČKA SKOLA U poglavlju 2. opisan je izvor snopa elektrona i pri tome je pomenuto da se struja elektrona koja izlazi iz katode reguliše i oblikuje pomodu čašaste Wehnelt-ove elektrode. Regulisanje struje Is se postiže promenom prednapona Uue pomenute elektrode u odnosu na katodu pri konstantnom naponu ubrzanja, kako je prikazano na slici 6.

Slika 6. Regulisanje struje snopa promenom prednapona upravljačke Wehnelt-ove elektrode Prethodno opisana promena struje snopa pomodu Wehnelt-ove elektrode može se predstaviti i analitički pomodu jednačine oblika: ⁄

U prethono datim relacijama je: Uue - prednapon upravljačke elektrode, Upz - napon kojim se potpuno zaustavlja prolaz elektrona, E - jačina polja katode i G - faktor geometrijskog rasporeda elektroda i oblika emisione površine katode. Sistem za oblikovanje i vođenje snopa elektrona uglavnom sačinjavaju: magnetna sočiva za centriranje mlaza, blende, korektivna sočiva, specijalni optički sistem za posmatranje predmeta pri obradi, sa povedanjem do 70x, kao i ranije pomenuta magnetna sočiva za fokusiranje snopa elektrona na površinu obratka i za skretanje snopa elektrona po površini obratka. Radna komora, u kojoj vlada vakuum od 1 do 10-2 Pa, služi za odvijanje samog procesa obrade snopom elektrona. Oblik i veličina radne komore zavisi od veličine radnih predmeta i veličine serije koja se obrađuje. U komori se nalazi radni sto za obratke koji može imati više translatornih i obrtnih kretanja.

9

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Slika 7. CNC-uređaj za obradu metala snopom elektrona

Slika 8. Postrojenje za zavarivanje sa pokretnim elektronskim topom Slika 7 prikazuje izgled manjeg uređaja za obradu snopom elektrona koji ima sledede karakteristike: snaga snopa 1 kW, zapremina komore 1,3 m3, raspolaže manipulatorom za obratke sa tri NU-ose i ima sistem za potpuno automatsko upravljanje uz pomod računara. Na slici 8 prikazano je vrlo veliko postrojenje za zavarivanje sa pokretnim 60/30 kV elektronskim topom, umesto obratka koji miruje, koje se koristi u raketnoj industriji, atomskoj tehnici i gradnji podmornica. Ima prečnik vakuumske komore od 13 m, a može da primi obratke mase do 25 t. 10

VISOKA TEHNIČKA SKOLA 6. TEHNOLOŠKE KARAKTERISTIKE EBM-OBRADE 6.1. UTICAJNI PARAMETRI NA PROCES OBRADE U zavisnosti od područja primene, pri obradi snopom elektrona se mogu regulisati slededi parametri obrade, s obzirom da oni bitno utiču na proces EBM-obrade:  Intenzitet snopa elektrona pomodu struje grejanja katode i napona upravljanja Wehneltovom elektrodom;  Prečnik snopa na površini obratka fokusiranjem pomodu magnetnih sočiva;  Vreme delovanja snopa, kontinualnim ili impulsnim radom;  Brzina kretanja snopa po površini obratka. Podešavanje prethodno datih parametara vrši se korišdenjem određenih fizikalnih ili empirijskim zavisnosti vezanih za snop elektrona od kojih su najvažnije:  Kinetička energija elektrona:

gde je:

(g) - masa elektrona, (C) - elektromagnetno naelektrisanje elektrona.  Snaga snopa elektrona: P = Ub · Is – neprekidni režim rada P = Ub · Is · f · ti = Ub · Li · f - impulsni režim rada gde je: Ub = (20÷200) kV ± 0,01% - napon ubrzanja, Is = 0,01÷100 mA, - jačina struje snopa elektrona, Li (C) - impulsno naelektrisanje snopa elektrona, f = 50 Hz do 50 kHz - frekvencija impulsa ti = 0,1÷106 μs - vreme delovanja impulsa.  Brzina elektrona u snopu: √ pri čemu je Ub u (V).  Specifična snaga ili intenzitet snopa u fokusu: (kW/cm2) zavisno od područja primene 

Prečnik snopa u fokusu: √

(mm)

df = 0,001 do više mm zavisno od područja primene.  Dubina prodiranja elektrona u materijalu: (cm) - važi za ⁄

(cm) - važi za 11

VISOKA TEHNIČKA SKOLA gde je p(g/cm3) - specifična masa - gustina materijala obratka. Specifična snaga - intenzitet snopa u fokusu q i vreme delovanja impulsa snopa elektrona t i su dva najvažnija tehnološka parametra kojima se definiše područje primene snopa elektrona, kako je prikazano na dijagramu slika 9.

Slika 9. Pregled područja različitih primena obrade snopom elektrona

12

VISOKA TEHNIČKA SKOLA 6.2. PROIZVODNOST, TAČNOST I KVALITET OBRADE Proizvodnost pri obradi elektronskim snopom zavisi od niza faktora kao što su: specifična snaga u fokusu, vreme impulsa i pauze, površina na koju se snop fokusira, položaj fokusa u odnosu na površinu obratka, broj impulsa, brzina kretanja obratka, toplotno-fizičke karakteristike materijala koji se obrađuje i dr. Može se izražavati na različite načine u zavisnosti od područja primene. Tako npr. kod obrada skidanjem materijala, proizvodnost se izražava u mm 3/min ili kom/s, kod perforiranja limova kao br. otvora/s, kod zavarivanja brzinom u m/s itd.

Slika 10. Eksperimentalno-računske vrednosti prečnika fokusiranog snopa u zavisnosti od napona ubrzanja i struje snopa

13

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Slika 11. Uticaj naelektrisanja impulsa na max. dubinu bušenja koja se može postidi sa 10 000 impulsa

Slika 12. Uticaj položaja fokusa na potreban broj impulsa za različita naelektrisanja impulsa. Uslovi pri obradi: UB = 130 kV; ti = 10 μs; fi = 1000 Hz; MO čelik za opruge 14

VISOKA TEHNIČKA SKOLA Na slikama 10, 11 i 12 dati su dijagrami na kojima su prikazane neke međuzavisnosti parametara EBM-obrade koji uti-ču na proizvodnost, a dobijeni su eksperimentalnim putem. Sa dijagrama na slici 10 može se videti kako napon ubrzanja Us i struja snopa Is utiču na prečnik snopa u fokusu. Dijagram pokazuje da se manji prečnik snopa može dobiti pri vedim naponima ubrzanja Us i manjim strujama snopa Is (za Us > 150 kV i Is = 1 mA prečnik snopa iznosi oko 9 μm). Kao što pokazuje dijagram na slici 11, vede dubine bušenja, pri istom broju impulsa, postižu se vedim impulsnim naelektrisanjem Li, tj. vedom strujom snopa Is i dužinom delovanja impulsa t (Li = Is·ti). Dijagram na slici 12 pokazuje pri svim vrednostima impulsnog naelektrisanja znatan uticaj položaja fokusa na broj impulsa koji je potre-ban da se izbuši jedan otvor. Za podatke date na dijagramu, optimalni položaj fokusa snopa iznosi oko 2 mm ispod površine obratka. Tačnost obrade elektronskim snopom zavisi od energetskih parametara snopa i njihove stabilnosti, sistema za fokusiranje, tačnosti sistema za upravljanje impulsima, kao i tačnosti mehaničkih uređaja za pomak. Ona je vrlo visoka i obično se krede u granicama 2÷4 μm. Konusni oblik fokusiranog snopa elektrona utiče da i oblik izbušenog otvora ima blagi konus kako je prikazano na slici 13. Ovde se radi o vrlo malim otvorima koji se buše sa jednim ili više impulsa bez skretanja snopa. Međutim, kod vedih prečnika otvora ova greška se može ispraviti zakretanjem snopa tako da jedna strana konusa bude paralelna sa osom otvora, a potom njihovim rotiranjem u krug.

Kvalitet obrade koji se postiže elektronskim snopom spada u područje srednje fine obrade i krede se od N7 do N9, dok je obrađena površina čista. Treba znati da se povedanjem kvaliteta obrade smanjuje pro-izvodnost pri obradi, pa zbog toga treba idi na minimalni kvalitet obrade koji zadovoljava funkciju dela koji se obrađuje.

15

VISOKA TEHNIČKA SKOLA 7. PODRUČJE PRIMENE Tehnologija obrade snopom elektrona razvija se u nekoliko karakterističnih pravaca:  Obrada skidanjem materijala,  Zavarivanje i lemljenje mikro elemenata,  Topljenje i isparavanje metala;  Kaljenje i površinsko oplemenjavanje. Koristi se za obradu svih vrsta materijala (metalnih i nemetalnih), bez obzira na njihova mehanička svojstva i hemijski sastav. S obzirom na dimenzije „reznog alata”, koje mogu biti mikrometarske vrednosti, ovim postupkom se obavljaju prvenstveno mikro obrade (npr. izrada integralnih kola – čipova), ali je isto tako moguda primena i za makro obrade (npr. zavarivanje velikih delova i rezervoara). U nastavku se daju neki karakteristični primeri primene EBM–obrade. 7.1. OBRADE SKIDANJEM MATERIJALA Proces EBM–obrade u kome se oblikovanje postiže odstranjivanjem materijala sa mesta obrade opisan je u tački 3, dok je u tački 4. dat pregled najvažnijih proizvodnih operacija. Kao što se iz toga može videti, na ovaj način mogu se bušiti otvori (normalni, duboki malog prečnika, konični ili pod određenim uglom), perforirati tanki limovi, obrađivati profilni prorezi i gravure, vršiti različite vrste graviranja, sedi različiti materijali i dr. 7.1.1. Bušenje otvora elektronskim snopom Ovim postupkom se mogu bušiti različiti otvori, kako po geometrijskom obliku, tako i po dubini i položaju ose. Ako je odnos dubina otvora/prečnik vedi, onda se to smatra klasičnim bušenjem i izvodi se sa više impulsa koji slede jedan za drugim. Međutim, ako je odnos dubina otvora/prečnik manji (najviše 5:1), što je slučaj kod tankih limova, a uz to je i broj istih otvora vrlo veliki, onda se to naziva perforiranjem, koje se tako izvodi da se sa jednim impulsom najčešde obradi jedan otvor. Raznovrsnost materijala koji se na ovaj način mogu obrađivati (čelik, mesing, aluminijum, rubin, safir, sintetički i prirodni dijamant itd.) i mogudnost bušenja ekstremno malih otvora prečnika svega 10 μm, glavne su odlike i prednosti ovog postupka u odnosu na druge konvencionalne i nekonvencionalne metode obrade.

16

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Slika 14. Primer bušenja glave komore za sagorevanje kod helikoptera Na slici 14 prikazana je glava komore za sagorevanje kod helikoptera prečnika 317 mm od legure kobalta sa 3730 kosih otvora Ø0,9 mm sa uglovima nagiba između 90° i 25° u odnosu na površinu obratka, koji služe za hlađenje. Ovi otvori su izbušenih snopom elektrona sa tolerancijom međusobnog položaja ±0,1 mm, tako da vreme takta, koje se računa od početka rada vakuumske pumpe za radnu komoru do izlaska izbušenog dela, iznosi oko 20 min. Ovi podaci dovoljno rečito govore o efikasnosti postupka EBM–obrade. Drugi primer se takođe odnosi na otvore za hlađenje na turbinskim lopaticama, slika 15. Na izlaznoj ivici lopatice izbušen je niz gusto poređanih otvora Ø0,4 mm dubine 5 mm, a na ulaznoj ivici u istom skladu niz kosih otvora. Kroz koso izbušene otvore ubacuje se hladan vazduh koji se kao laminarni film raspoređuje iznad površine metalnog dela i tako ga štiti od delovanja pregrejanih radnih gasova.

Slika 15. Turbinske lopatice sa gusto izbušenim otvorima za hlađenje na ulaznoj i izlaznoj ivici 17

VISOKA TEHNIČKA SKOLA Perforiranje otvora je veoma čest proizvodni zadatak. Radi se o gusto izbušenim otvorima različitog geometrijskog oblika na tankim limovima. Ova obrada se veoma efikasno izvodi primenom snopa elektrona, što potvrđuju i podaci dati na dijagramima, slika 16. Pada u oči da se ovom tehnikom mogu bušiti otvori najmanjeg prečnika od 50 μm na materijalima debljine 50 μm, a najvedeg prečnika 1 mm na materijalima debljine 5 mm. To je uglavnom područje u kome se klasično bušenje ili prosecanje teško može primeniti, dok bi to za elektrohemijsku i elektroerozivnu obradu bio specifičan slučaj obrade.

Slika 16. Područje prečnika i brzina perforiranja primenom snopa elektrona Tipičan primer primene perforiranja prikazan je na slici 17. Radi so o filterskom bubnju od nerđajudeg čeličnog lima debljine 0,1 mm sa otvorima Ø0,2 mm, za potrebe prehrambene industrije, izbušenim postupkom perforiranja sa brzinom obrade od 3000 otvora u sekundi.

Slika 17. Filterski bubanj za prehrambenu industriju 18

VISOKA TEHNIČKA SKOLA 7.1.2. Izrada profilnih proreza i gravura Obrada otvora, proreza, gravure i dru-gih formi složenih oblika (vidi sliku 4/a,b,c i f) sa jednim jedinim impulsom se ne može uvek ostvariti. U takvim slučajevima se koristi višeimpulsna tehnika koja najčešde podrazumeva i skretanje elektronskog snopa ili pomeranje obratka. Skidanje materijala snopom elektrona ostvaruje se slično obradi klasičnim glodanjem ili bušenjem. Skretanje elektronskog snopa i pomeranje obratka ostvaruje se odgovarajudim računarskim programima saglasno datoj konturi, uz istovremeno delovanje snopa elektrona visokom frekvencijom. Na ovaj način se može obrađivati: metal, grafit, staklo, keramika, sintetički materijali i dr. Na slici 18 dat je primer profilnih proreza izrađenih EBM–glodanjem.

Slika 18. Profilni prorezi izrađeni EBM–glodanjem 7.1.3. Graviranje metala i keramike Visoka preciznost i brzina obrade snopom elektrona omogudile su još jedno područe njegove racionalne primene, koje je ranije bilo ograničeno na hemijsko nagrizanje ili mehaničko graviranje. Radi se, dakle, o graviranju, koje ovde nije ograničeno samo na označavanje delova radi identifikacije, ved znatno šire. Na slici 19 dat je primer sitnih gravura na valjku za duboku štampu izrađenih pomodu snopa elektrona. Mala udubljenja-gravure, prečnika oko 100 μm i dubina koje odgovaraju rasteru slike (kredu se od 0 do preko 30 μm), nose farbu za štampanje. Mala zapremina znači slabije, a velika jače tonove boje. Pored različitih štamparsko-tehničkih preimudstava, ovaj ekstra brzi postupak graviranja valjaka imade u bududnosti mogudnost da se aktuelne informacije u slici digitaliziraju i prenesu na daljinu, a potom u kratkom vremenu visokokvalitetno odštampaju. Napredak elektronske industrije, posebno kompjuterske tehnike, umnogome zavisi od načina gradnje i proizvodnih postupaka koji de omoguditi dobijanje finih struktura. Graviranje i bušenje nepečene keramike snopom elektrona dovodi do proizvodnje delova višeslojne keramike. Više tanko graviranih ploča (širina gravure oko 50 μm), se postave jedna na drugu, a fini kanali se zaliju metalom, čime se dobija trodimenzionalno sastavljeni sistem mreže provodnika.

19

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Slika 19. Primeri gravura na valjcima za duboku štampu izrađenih snopom elektrona a), b) i c) – primeri udubljenja za prijem boje različitog prečnika i dubine 7.1.4. Graviranje naparenih metalnih slojeva Na sličan način, kao kod prethodno opisanog graviranja keramike, vrši se i graviranje naparenih metalnih slojeva. Snop elektrona se upravlja pomodu računarskog programa, tako da se obradom postigne gravura željene geometrije električnih kola, slika 20. Iz naparenog metalnog sloja (npr. tantal na substratu stakla) izrade se mreže otpornika. U toku obrade mogu se precizno meriti otpornosti kola i vršiti kalibrisanje. Visoka brzina kalibrisanja omoguduje ekonomičnu proizvodnju velikih serija. Jednostavnom izmenom računarskog programa, menja se i geometrija električnog kola, što je od posebnog značaja kod pojedinačne ili maloserijske izrade za potrebe istraživanja.

Slika 20. Gravura hibridnog električnog kola širina traga 40 μm, bizina graviranja 5 m/s 20

VISOKA TEHNIČKA SKOLA 7.1.5. Sečenje elektronskim snopom Postupak sečenja se bazira na zagrevanju obratka kontinualnim ili pulzirajudim elektronskim snopom sa lokalnim razvojem takve specifične snage koja je u stanju da proizvede najpovoljnije termofizičke, termohemijske, hidrodinamičke, gasodinamičke i erozivne procese za odvajanje materijala. Snop elektrona pada na površinu obratka i u prvom trenutku jedan deo površine materijala isparava, dok se potpovršinski sloj zagreva do tačke topljenja. Čim ispareni materijal napusti zonu delovanja, snop elektrona pada na ved zagrejani sloj materijala i izaziva njegovo isparavanje ili sagorevanje, čime nastaje procep (rez) u obratku. Pomeranjem snopa elektrona ili obratka po određenoj putanji ostvaruje se isecanje željene konture. Brzina sečenja može biti i do 50 m/s, zavisno od snage elektronskog snopa, materijala obratka i njegove debljine, vrste uređaja i sistema za fokusiranje. Posebna pogodnost koju pruža ova vrsta obrade je izuzetno mala širina reza (oko 25 μm), što je posebno značajno pri sečenju skupih i kvalitetnih materijala. Mala širina reza obezbeđuje preciznu obradu elemenata najsloženije konfiguracije. 7.2. TOPLOTNE OBRADE POMODU SNOPA ELEKTRONA Kao što je ranije rečeno u ovu grupu spadaju obrade kod kojih se razvijena toplota koristi samo za zagrevanje ili topljenje materijala. Prema tome, pri obradi se vrši samo promena metalurškog stanja, ali ne i odvajanje materijala. 7.2.1. Topljenje materijala Proces topljenja materijala se koristi za livenje, čišdenje metala od nemetalnih uključaka, legiranje itd. Kod njega se elektronski snop koristi za zagrevanje do prelaska materijala iz čvrstog u tečno stanje. Na slici 21 data je opšta šema topljenja materijala pomodu elektronskog snopa. Šipka 5 za topljenje stoji u horizontalnom položaju i pomera se lagano prema snopu 2 koji je usmeren prema otvoru kristalizatora. Istopljeni materijal 6 pada u kristalizator 9 koji se intenzivno hladi vodom. Izliveni blok 8 se lagano pomera naniže pomodu šipke 10, tako da istopljeni materijal uvek pada sa iste visine u zonu koja se intenzivno hladi. Proces topljenja elektronskim snopom omogudava istovremeno i precizno livenje, tako što se rastopina dobijena pomodu elektronskog snopa, kada dostigne potrebnu masu, automatski sipa u kalupe za precizno livenje, slika 21 - dole desno. Elektronske pedi se izrađuju kako za male količine materijala (nekoliko grama) tako i za velike (nekoliko tona), slika 22. U njima se koriste snažni elektronski snopovi snage koja se krede i do nekoliko MW, sa naponom ubrzanja od 20 do 30 kV i relativno malom specifičnom snagom snopa do 102 kW/cm2. 21

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Slika 21. Šema topljenja materijala elektronskim snopom 1. elektronski top; 2. elektronski snop; 3. ostvarivanje vakuuma; 4. radna komora; 5. šipka za topljenje; 6. kapljice materijala; 7. rastopina; 8. telo izlivenog bloka; 9. kristalizator hlađen vodom; 10. šipka za povlačenje bloka; 11. senzor za pradenje procesa

Slika 22. Čelični blok dobijen u elektronskoj pedi EMO 1200 Dimenzije: prečnik 800 mm; dužina 3000 mm; masa 12 t 22

VISOKA TEHNIČKA SKOLA 7.2.2. Isparavanje materijala Kod ove primene se snop elektrona koristi za zagrevanje rastopljenog materijala do temperature pri kojoj nastaje isparavanje tj. za prelaz materijala iz tečnog u gasovito stanje.

Slika 23. Princip isparavanja materijala pomodu elektronskog snopa 1. elektronski top; 2. elektronski snop; 3. površina delovanja elektronskog snopa; 4. vakuumska komora; 5. grejač substrata; 6. substrat; 7. dobijena prevlaka; 8. struja metalne pare; 9. zaklon za paru; 10. ostvarivanje vakuuma; 11. površina isparavanja; 12. otopljeni deo materijala; 13. materijal za isparavanje; 14. lonac koji se hladi vodom. Proces isparavanja materijala se koristi za nanošenje prevlaka različitog tipa i kvaliteta, površinsko legiranje itd. Na slici 23 prikazana je uprošdena šema uređaja za isparavanje mate-rijala pomodu elektronskog snopa u cilju presvlačenja. Materijal na koji se nanosi prevlaka – substrat 6 se zagreva na određenu temperaturu, dok se lonac 14 u kome se zagreva materijala za isparavanje iznutra hladi vodom. Površinski sloj materijala 12 je rastopljen, a na njegovoj spolja-šnoj površini 11, na koju pada elektronski snop, se ostvaruje proces isparavanja. Manji deo kine-tičke energije snopa elektrona troši se na zagrevanje materijala po dubinu, dok se najvedi deo troši za postizanje visoke temperature na površini materijala koji isparava. Ispareni materijal se kondenzuje na obratku u vidu tanke presvlake. Za isparavanje se koriste uređaji snage nekoliko MW, sa naponima ubrzanja od 20 do 30 kV. Specifična snaga iznosi do 102 kW/cm2. 23

VISOKA TEHNIČKA SKOLA 7.2.3. Zavarivanje Primena elektronskog snopa u tehnologiji zavarivanja datira još od 50-tih godina ovog veka. Ono predstavlja tehnološki proces koji karakteriše topljenje materijala na mestu spajanjazavarivanja elemenata i odvija se bez primene dodatnog materijala. Efekat dubinskog zavarivanja pomodu snopa elektrona, opisanog u tački 3, bitno se razlikuje od uobičajenih metoda zavarivanja kod kojih se toplotna energija odaje samo na površini, a odatle provođenjem prodire u unutrašnjost materijala. Na taj način se ostvaruju relativno plitki a široki zavari, slika 24/a. Kod dubinskog zavarivanja snopom elektrona, kako je ved opisano, nastaje uska i duboka zona topljenja materijala, pa se tako obrazuju uski i duboki zavari, slika 24/b. Zbog toga se primenom ovog postupka zavarivanja postižu vrlo visoke tačnosti, tako da se mogu zavarivati i prethodno obrađeni delovi bez potrebe za njihovom naknadnom doradom.

Slika 24. Primeri zavara ostvarenih na leguri titana a) izveden WIG–postupkom; b) izveden snopom elektrona Kod velikih zupčanika i drugih po-gonskih elemenata (kaišnici, lančanici, zamajci i dr.) ovim načinom konstruisanja postiže se, osim bolje tehnološke pro-hodnosti, i povoljnije iskorišdenje materijala; primer na slici 27 gde je razlika u prečnicima zupčanika vrlo velika. Ovakav način konstruisanja delova pogodan je i sa stanovišta racionalnijeg korišdenja materijala, zbog toga što se na svakom mestu mogu primeniti oni materijali koji su najpovoljniji zavisno od opteredenja tog dela u eksploataciji, slika 26.

24

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Slika 25. Primer dvojnog zupčanika izrađenog primenom EBM-zavarivanja

Slika 26. Propeler pumpe izrađen od dva različita materijala i zavaren snopom

Slika 27. Primer konstrukcije pogonskog zupčanika zavarenog EBM-postupkom

25

VISOKA TEHNIČKA SKOLA Na slici 28 dat je izgled postrojenja za zavarivanje snopom elektrona sa CNC upravljanjem koje se koristi u istraživačke svrhe. Termički stepen iskorišdenja elektronske mašine za zavarivanje iznosi 70÷98%, zavisno od parametara zavarivanja i materijala. U tome je znatna prednost zavarivanja snopom elektrona u poređenju sa zavarivanjem pomodu lasera. Termički stepen iskorišdenja elektronske mašine za zavarivanje iznosi 70÷98%, zavisno od parametara zavarivanja i materijala. U tome je znatna prednost zavarivanja snopom elektrona u poređenju sa zavarivanjem pomodu lasera. Najvedi nedostatak zavarivanja snopom elektrona je potreba postojanja vakuuma u prostoru za zavarivanje, koji inače veoma korisno utiče na metalurške efekte u zoni zavara, ali je njegovo održavanje skupo. Radi toga su razvijene poluvakuumske mašine za zavarivanje, a po-znate su i mašine koje zavaruju snopom elektrona u atmosferi. Pod normalnim pritiskom snop elektrona se intenzivno rasipa (zbog sudaranja elektrona sa molekulima gasa), ali je ipak mogude ostvariti intenzitet snopa od 106 W/cm2 i stepen iskorišdenja od 95%.

Slika 28. Postrojenje za zavarivanje, kaljenje i oplemenjivanje površina pomodu snopa elektrona ESA 5/60-CNC (Istraživački institut „Manfred von Ardenne“ - Dresden)

26

VISOKA TEHNIČKA SKOLA 7.2.4. Kaljenje i površinsko oplemenjavanje Kod postupka kaljenja i oplemenjivanja površina, vidi šemu na slici 4/i, energija snopa elektrona se koristi za zagrevanje površinskog sloja materijala obratka na određenu temperaturu koja se može regulisati u skladu sa slededom jednačinom: √ gde je: US (V) - napon ubrzanja, Is (A) - jačina struje snopa, c (J/kg·K) - specifična toplota materijala obratka i ti (s) - vreme delovanja impulsa snopa elektrona. Pod kaljenjem se podrazumeva transformacija strukture materijala u čvrstoj fazi bez rastapanja, dok se površinsko oplemenjavanje odvija topljenjem preko faza: čvrsta - tečna - čvrsta. Temperaturski ciklus pri kaljenju bez topljenja traje od 10-5 do 10-1s, a pri površinskom oplemenjavanju sa topljenjem od 10-3 do 1 s.

27

VISOKA TEHNIČKA SKOLA 8. JONSKA IMPLANTACIJA 8.1. OSNOVNE KARAKTERISTIKE PROCESA Pored nanošenja prevlaka, primenjuju se i drugi postupci za poboljšanje svojstava površinskih slojeva, zasnovani na promeni hemijskog, strukturnog i fizičko-mehaničkog stanja materijala u tankim površinskim slojevima. Jedan od tih postupaka je i implantiranje legirajudih elemenata u površinske slojeve osnovnog materijala, odnosno jonska implantacija, slika 29. Postupak jonske implantacije razvijen je, sredinom šezdesetih godina prošlog veka, za proizvodnju poluprovodnika. Bombardovanje površina jonima visokog energetskog stanja, pri implantiranju legirajudih elemenata u površinske slojeve osnovnog materijala, stvara velike mogučnosti oplemenjavanja površinskih slojeva. Proces ne podleže složenim termodinamičkim zakonima koji važe za ravnotežne procese difuzije i rastvaranja, a omoguduje formiranje metastabilnih površinskih struktura i značajno unapređenje karakteristika površinskih slojeva.

Slika 29. Jonska implantacija Jonska implatacija je proces implantacije jona legirajudeg materijala u površinsku strukturu osnovnog materijala. Proces se odvija u vakuumskoj komori, bombardovanjem snopom jona velike brzine, energije od nekoliko MeV. Joni prodiru do dubine od 0,01 µm, gubedi pri tom energiju u sudarima sa atomima osnovnog materijala. Osnovne prednosti jonske implantacije su:  brza promena sastava površinskog sloja,  realizacija procesa pri niskim temperaturama,  nema promena dimenzija predmeta obrade,  nema oštrine granice između oplemenjenog sloja i osnovnog materijala,  kontrolisana dubina i raspodela koncentracije legirajudih elemenata,  vakuumska čistoda procesa i  visok stepen kontrole i pouzdanosti procesa. 28

VISOKA TEHNIČKA SKOLA   

Osnovni nedostaci jonske implantacije su: nemogudnost obrade predmeta složene konfiguracije, relativno skupa oprema i znatno povedanje cene radnog komada podvrgnutog ovoj obradi.

Tipičan uređaj za jonsku implantaciju (slika 30) se sastoji od izvora jona, akcelatora, separatora, sistema za fokusiranje, rešetke - dijafragme i sistema za skeniranje površine. Joni se ekstrakuju iz jonskog izvora elektrodom visokog potencijala, a zatim ubrzavaju prema „cilju“. Jonski izvor proizvodi jone različitih vrsta, a među njima i jone koji nisu neophodni za proces jonske implantacije. Zbog toga svaki uređaj poseduje separator, koji obezbeđuje da do predmeta obrade stižu samo joni određene vrste. Po prolasku kroz separator snop se fokusira i usmerava prema komori sa radnim predmetom i kroz dijafragmu dospeva na površinu. Skeniranje snopa, po obrađenoj površini, obezbeđuje ravnomernu implantaciju jona.

Slika 30. Šema tipičnog uređaja za jonsku implantaciju

29

VISOKA TEHNIČKA SKOLA 8.2. EFEKTI JONSKE IMPLANTACIJE Joni visoke energije, pri prodiranju u osnovni materijal, izazivaju na svom putu veliki broj sudara u tankom površinskom sloju. To dovodi do izbijanja atoma i gubitka osnovnog materijala iz površinske zone (slika 31). Joni argona, na primer, sa energijom 60keV, koji padaju upravno na površinu bakra, mogu izbiti približno sedam atoma bakra. Energija prodirudih jona se prenosi na veliki broj atoma osnovnog materijala, ali samo prvi suradi mogu imati za posledicu izbijanje atoma. Osim izbijanja atoma, dolazi i do premeštanja i međusobnog mešanja atoma različitih vrsta unutar materijala. Svaki od atoma u nanosloju površine tvrdog tela (koji sadrži približno 10 15 atoma/cm2) se, u procesu implantacije, pod udarima jona pomera u proseku sto puta. Koncentracija legirajudih elemenata, po dubini implantiranog sloja pri maloj dozi jona, odgovara Gausovom zakonu raspodele, sa centrom u sredini dubine prodiranja jona. Praktična primena jonske implantacije zahteva uvedanje koncentracije implantirane promene u osnovnom materijalu za nekoliko procenata, što zahteva velike gustine jona. Uobičajena doza za to iznosi oko 10 17 jona/cm2. Pri ovako velikim gustinama jona, izbijanje atoma, mešanje atoma i izmena hemijskog sastava, postaju dominantan faktor u određivanju stanja implantiranog materijala tako da je debljina sloja materijala uklonjenog udarima jona, uporediva sa dubinom prostiranja implantiranih jona. Raspodela koncentracije implantiranih jona po dubini dostiže maksimum u blizini same površine (slika 32).

Slika 31. Prikaz izbijanja atoma osnovnog materijala

30

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Slika 32. Koncentracija atoma po dubini implantiranog sloja 8.3. TRIBOLOŠKI ASPEKTI IMPLANTACIJE POVRŠINA Rezultati eksperimentalnih istraživanja ukazuje na pozitivno dejstvo implantacije na povedanje otpornosti na habanje i smanjenje disipacije energije u tehničkim sistemima (slika 33). Rezultati istraživanja promene koeficijenata trenja (µ) u funkciji puta trenja (s), za slučaj kada su implantirani azot (N+) i aluminijum (Al+) u gvožđe (Fe) i azot (N+) u titan (Ti), pre i posle implantacije, prikazani su na slikama 33 i 34.

Slika 33. Promena koeficijenta trenja na putu trenja implantiranog (a) i neimplantiranog (b) čelika

31

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Slika 34. Prikaz stanja nitriranog sloja i osnovnog materijala pre (a) i posle (b) jonske implantacije Povedanje otpornosti na habanje je prikazano na slici 35. Eksperiment je obavljen na „pin-on-disk“ tribometru. Sa navedenih slika se vidi da su koeficijenti trenja znatno manji kod implantiranih kontaktnih površina. Osim bitnog smanjenja koeficijenta trenja, za implantiranje materijale ostvareno je i veliko povedanje otpornosti na habanje, posebno za slučaj implantacije azota u titan (N+/Ti). Implantiranje je obavljeno sa gustinom od 1017 jona/cm2.

Slika 35. Tipičan profil pohabanog dela diska

32

VISOKA TEHNIČKA SKOLA Kao primer mogu poslužiti i rezultati istraživanja jonske implantacije, borom (B) i argonom (Ar) na nerđajudem čeliku, prikazan je na slici 36. Dijagram zavisnosti koeficijenta trenja od broja ciklusa relativnog kretanja čelične kugle po ploči pokazuje izrazitu redukciju koeficijenta trenja (od 0,75 na 0,15),koja nastaje B -implantacijom.

Slika 36. Zavisnost koeficijenta trenja od broja ciklusa za neimplantirani i B - implantirani čelik (50 keV, 1017 jona/cm2) Uticaj implantacione doze B - jona na koeficijent trenja je prikazan na slici 37. Kada je implataciona doza ispod 1016 jona/cm2, uticaj je zanemarljiv, međutim, sa porastom doze iznad 1017 jona/cm2 dejstvo postaje signifikantno. Ako je količina izbijenih atoma 2 atoma/jonu, onda kritična doza, pri kojoj površinski sloj ima maksimalnu koncentraciju, iznosi aproksimativno oko 3·1017 jona/cm2.

33

VISOKA TEHNIČKA SKOLA

Slika 37. Uticaj implatacione doze B - jona na koeficijent trenja Međutim pri istim uslovima ispitivanja, implantacija argonom pokazuje savim suprotne rezultate. Na slici 38 prikazan je uticaj Ar - implantacije na koeficijenat trenja pri kontaktnom normalnom opteredenju od 0,98 N. Slični rezultati dobijeni su i pri drugim opteredenjima.

Slika 38. Zavisnost koeficijenta trenja od broja ciklusa neimplantiranog i Ar - implantiranog čelika (40 keV, 1017 jona/cm2) 34

VISOKA TEHNIČKA SKOLA Na smanjenje disipacije energije u procesu trenja implantiranih površina i povedanje njihove otpornosti na habanje, u svakom slučaju, utiče formiranje hemijskih jedinjenja (TiC i Al2O3), metastabilnih rastvora i amorfnih mešavina, promena radijusa zaobljenja vrhova mikrogeometrijskih neravnina (usled raspršivanja materijala) i stvaranje polja zaostalih unutrašnjih napona. Na slici 39 prikazan je izgled jednog uređaja koji se koristi za jonsku implantaciju.

Slika 39. Prikaz uređaja za jonsku implantaciju

35

VISOKA TEHNIČKA SKOLA 9. ZAKLJUČAK Danas se postupak obrade snopom elektrona primenjuje za širok spektar proizvodnih operacija kao što su: bušenje malih otvora, izrada prostornih gravura, sečenje materijala, graviranje, topljenje i isparavanje metala, zavarivanje i lemljenje, termička obrada i oplemenjavanje površina itd, pri čemu u nekim slučajevima bez ikakve druge alternative.

36

VISOKA TEHNIČKA SKOLA 10. LITERATURA 1. B. Vasiljevid i B. Nedid, Modifikovanje Površina, Kragujevac, 2003. 2. D. Milikid, Nekonvekcionalni postupci obrade, Novi Sad, 2002. 3. Web adresa: www.google.com www.wikipedia.org

37