Mikrobohren Elektronenstrahl bohrt 3000 präzise Löcher in der Sekunde

Autor / Redakteur: Marlina Schütze / Peter Königsreuther

Komponenten mit einer Unmenge an Mikrobohrungen werden in vielen Systemen benötigt. Durch Elektronenstrahlbohren mit Systemen von Pro-beam können die Löcher produktiv in jedes Metall gebracht werden.

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Das ist eine Detailansicht einer sogenannten Schleuderscheibe, die bei der Dämmmittelproduktion eingesetzt wird. Die feinen, präzisen Löcher wurde per Elektronenstrahltechnik von Pro-beam gebohrt.
Das ist eine Detailansicht einer sogenannten Schleuderscheibe, die bei der Dämmmittelproduktion eingesetzt wird. Die feinen, präzisen Löcher wurde per Elektronenstrahltechnik von Pro-beam gebohrt.
(Bild: Pro-beam)

Perforierte Oberflächen dienen in diversen Industriesektoren unter anderem zur Separation, Trocknung und Filtration von festen oder flüssigen Substanzen. Die Art der Oberflächenbearbeitung einer perforierten Komponente hängt vom zu produzierende Endprodukt beziehungsweise den späteren Verwendungszweck desselben ab.

Beim Durchbohren von Werkstücken, die eine große Anzahl reproduzierbarer Löcher benötigen, eignet sich der Elektronenstrahl besonders gut. Der Strahl durchbohrt dabei das Material und erzeugt präzise Mikroöffnungen bis maximal 60 Mikrometer Durchmesser, deshalb gehört das Verfahren per Definition in den Bereich des Mikrobohrens.

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Werkstoffoberfläche wird schlagartig verdampft

Um die Löcher entstehen zu lassen, wirkt mit dem Elektronenstrahl ein kurzer, aber genügend starker Energieimpuls auf das Material. Es entsteht am Ort des Geschehens eine Dampfkapillare, die sich über die vollständige Materialdicke bis zur Unterlage erstreckt. Eigentlich verschließen sich auf diese Art gebildete Kanäle nach dem Abschalten des Strahls sofort wieder. Das ist ein Effekt, der auch beim Tiefschweißen entsteht, und für den der Elektronenstrahl bekannt ist. Um das Schließen des Kanals zu verhindern, wird verdampfbares Material als Unterlage verwendet. Dadurch wird die entstandene Schmelze explosionsartig aus der Kapillare ausgetrieben und der Kanal bleibt offen. Beim Austritt der Schmelze entsteht ein 5 bis 10 Mikrometer hoher Grat an der Oberseite des Materials, der durch nachträgliches Schleifen entfernt werden kann.

Dieses Bohrverfahren kann Löcher mit zylindrischen bis konischen Formen entstehen lassen. Der Durchmesserbereich liegt zwischen 0,06 bis 1,1 Millimeter. Aber auch verschiedene Lochkombinationen und geometrisch flexible Öffnungen sind möglich. Dabei entsteht, im Gegensatz zum Lasermikrobohren, ein geringerer Wärmeeintrag, der aufgrund der hohen Energiedichte der Elektronen, gleichzeitig nur an einer definierten Stelle erfolgt, ohne angrenzende Bereiche zu beeinträchtigen. Deshalb verzieht sich ein so gebohrtes Werkstück auch nicht.

Metalle und leitfähige Materialien können gebohrt werden

Ein wesentlicher Vorteil des Elektronenstrahlbohrens ist, dass man damit alle metallischen Werkstoffe inklusive Titan sowie thermisch hochbelastbare Legierungen bearbeiten kann. Das funktioniert bis zu einer Dicke von 6 Millimetern. Der Strahl durchbohrt übrigens auch elektrisch leitende Keramik. Und auch in puncto Geschwindigkeit lässt das Verfahren keine Wünsche offen. „Wir können bis zu 3000 Öffnungen pro Sekunde bohren“, betont dazu Thorsten Löwer, CTO bei Pro-beam. Darüber hinaus garantiert das Verfahren, dass die Löcher einen regelmäßiger Abstand voneinander haben. Von der Werkstückfläche können 25 Prozent mit Löchern versehen werden. Das heißt, in eine Fläche von 1 Quadratmeter kann der Elektronenstrahl 25 Millionen Löcher bohren.

Beim Mikrobohren und allen anderen Elektronenstrahl-Bearbeitungsprozessen setzt das Unternehmen auf die Automation, sodass alle Parameter elektronisch mess- und regelbar sind. Das macht die Bearbeitung sehr präzise und reproduzierbar. Auch wird die Produktion großer Stückzahlen einfacher. Diese Vorteile machen das Elektronenstrahlbohren zu einer effizienten und günstigen Methode, wenn es etwa um die wirtschaftliche Herstellung von Industriefiltern -sieben und Schleuderscheiben geht.

Vorteile des Elektronenstrahlbohrens am Beispiel Schleuderscheibe

Mit Schleuderscheiben stellt man übrigens unter anderem Glaswolle her. In sogenannten Zerfaserungsmaschinen wird dazu geschmolzenes Glas durch die kleinen Bohrungen in den Schleuderscheiben gepresst. Die Schmelzefäden werden per Luftstrom aus der Scheibe herausgezogen, erstarren, und werden letztlich zur endgültigen Glaswolle weiterverarbeitet. Die Schleuderscheiben spielen daher eine zentrale Rolle bei der Dämmmittelproduktion und müssen natürlich auch hohen Temperaturen standhalten. Um dies zu gewährleisten, werden sie aus den oben bereits angemerkten, thermisch hochbelastbaren Legierungen gefertigt. Das mechanische Bohren dieser Legierungen ist jedoch recht schwierig und entsprechend unwirtschaftlich. Erschwert wird das Vorhaben durch die typische Wandstärke bis 6 mm und den starken Verschleiß der Bohrwerkzeuge.

Das Elektronenstrahlbohren erlaubt es aber dennoch, präzise Löcher bis zur gewünschten Solltiefe zu bohren, und es kann auch Hartlegierungen auf Cobalt-Nickel-Basis schonend bearbeiten. So verlängert sich auch noch die Lebensdauer von Schleuderscheiben. Weil der Stillstand auch von Maschinen, die zur Glaswolleherstellung dienen, teuer werden kann, wird eine kontinuierliche Versorgung der Glaswollproduzenten mit den Schleuderscheiben angestrebt. Das Elektronenstrahlbohren gewährleistet dies durch die automatisierte, prozesssichere Serienproduktion der Scheiben. Je nach Anlage kann dabei die Produktivität durch eine zeitgleiche Bestückung mit bis zu fünf Schleuderscheiben und dem fortlaufenden Bohrvorgang auf bis zu 600.000 Öffnungen pro Quadratmeter gebracht werden.

Die Möglichkeiten der Elektronenstrahlbearbeitung sind noch nicht erschöpft

Trotz des regelmäßig abgerufenen hohen Bedarfs an Schleuderscheiben sind die bei Glaswollherstellern selbst produzierbaren Stückzahlen meist zu gering, um die vorhandenen Anlagen gut auszulasten. Deshalb setzen sie auf eine externe Fertigung, beispielsweise im Rahmen der Auftragsfertigung, bei Pro-beam. Diese ziehen Hersteller sowohl bei kleineren Stückzahlen oder Prototypen in Betracht als auch bei Platzmangel in der eigenen Produktion. Zur Vorbeugung von Engpässen, die beispielsweise durch interne Betriebsausfälle entstehen können, kann die Auftragsfertigung ebenfalls eine sinnvoll sein.

Deshalb umfasst das Portfolio von Pro-beam nicht nur die Auftragsfertigung sondern auch die Bereitstellung, beziehungsweise die Entwicklung, kundenspezifischer Elektronenstrahlanlagen zum Mikrobohren, Schweißen oder auch zum Härten. Und sein Elektronenstrahl-Bearbeitungsverfahren für Schlitze entwickelt das Unternehmen aktuell weiter. Das Ziel dabei ist es, künftig auch Schlitzgrößen von unter 90 Mikrometer zuverlässig herstellen zu können. Derzeit sind mit dem Elektronenstrahl noch Schlitze von 90 bis 150 Mikrometer machbar. Gleichzeitig steht für den Elektronenstrahlexperten auch die Erweiterung des Spektrums an machbarer offener Fläche in unterschiedlichen Wandstärken im Fokus.

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