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Mikrobohren mit dem Elektronenstrahl

Bis zu 3000 Bohrungen pro Sekunde
Mikrobohren mit dem Elektronenstrahl

Perforierte Oberflächen weisen eine Vielzahl von Löchern in definierter Form und Größe auf. Sie dienen u. a. zur Separation, Trocknung und Filtration von festen oder flüssigen Stoffen. Bei ihrer Fertigung hat sich das Mikrobohren mit dem Elektronenstrahl bewährt, wie das Beispiel der Herstellung von Edelstahlfilterblechen für die Tofuproduktion verdeutlicht.

Beim Mikrobohren mit dem Elektronenstrahl durchbohrt der Strahl den Werkstoff. Dabei entstehen präzise Mikroöffnungen mit einer Größe von bis zu 60 µm. Der Energieeintrag über den Elektronenstrahl ist kurz. Die dabei entstehende Dampfkapillare kann sich über die vollständige Materialdicke bis zur Unterlage erstrecken. Üblicherweise verschließt sich der Kanal nach dem Abschalten des Strahls sofort wieder – ein Umstand, der auch vom Tiefschweißprozess mit dem Elektronenstrahl bekannt ist. Um das zu verhindern, wird ein verdampfungsfähiges Material als Unterlage verwendet. Dadurch wird die entstandene Schmelze explosionsartig aus der Kapillare ausgetrieben und der gewünschte Kanal bleibt erhalten. Beim Austritt der Schmelze entsteht ein 5 bis 10 µm hoher Grat an der Oberseite des Materials, der sich durch nachträgliches Schleifen einfach entfernen lässt.

Zylindrische und konische Löcher

Dieses Bohrverfahren erlaubt Löcher mit zylindrischen bis konischen Formen und einem Durchmesser von 0,06 bis 1,1 mm. Aber auch verschiedene Lochkombinationen und geometrisch flexible Öffnungen sind möglich. Dabei entsteht, im Gegensatz zum Laserverfahren, lediglich ein geringer Wärmeeintrag, der dank der hohen Energiedichte des Elektronenstrahls gleichzeitig nur an einer definierten Stelle erfolgt, ohne angrenzende Bereiche zu beeinträchtigen. Dies verhindert einen Verzug des Werkstücks.

Für alle metallischen Werkstoffe

Ein wesentlicher Vorteil des Elektronenstrahls ist die Fähigkeit, sämtliche metallische Werkstoffe inklusive Titan sowie thermisch hochbelastbare Legierungen – mit einer Dicke von bis zu 6 mm – bearbeiten zu können. Daneben schafft der Strahl auch das Durchbohren von leitender Keramik. Und auch in puncto Geschwindigkeit überzeugt die Elektronenstrahltechnologie: Mit ihr lassen sich bis zu 3000 Bohrungen pro Sekunde realisieren. Weitere Pluspunkte sind regelmäßige Abstände zwischen den Bohrungen sowie offene Flächen von bis zu 25 %. Bei einer Fläche von einem Quadratmeter schafft der Elektronenstrahl also bis zu 25 Mio. Bohrungen.

Beim Mikrobohren setzt Pro-Beam wie bei seinen anderen Elektronenstrahllösungen auf die Automation, sodass alle Prozessparameter vollständig elektronisch mess- und regelbar sind. Das führt zu einer schnellen, präzisen und reproduzierbaren Perforation von Werkstücken und vereinfacht die Produktion großer Stückzahlen. Diese Vorteile machen das Elektronenstrahlbohren zu einer effizienten und kostengünstigen Technik bei der Herstellung von Schleuderscheiben, Industriesieben und -filtern.

Filterbleche für die Tofuherstellung

Ein Einsatzgebiet von Filterblechen aus Edelstahl ist die Herstellung von Tofu. In einem der letzten Produktionsschritte wird der Tofubruch, auch Soja-Molke-Tofu-Masse genannt, einer Fest-Flüssig-Trennung unterzogen. Dafür wird die Masse in eine Edelstahlform gefüllt und gepresst. Damit die Flüssigkeit entweichen kann und der Tofu seine feste Konsistenz erhält, besteht die Form aus Filterblechen. Die mit der Elektronenstrahltechnologie hergestellten Edelstahlfilterbleche erfüllen die hohen Hygieneansprüche der Lebensmittelindustrie, sind ausbrennbar und resistent gegenüber allen gängigen Reinigungsmitteln. Eine entsprechende Stabilität bzw. Wandstärke vorausgesetzt, weisen sie zudem eine lange Lebensdauer auf.

Bei der Herstellung der Bleche spielen die Elektronenstrahl-Mikrobohranlagen von Pro-Beam ihre Stärken aus: Zum einen bohren sie reproduzierbare Löcher in stabile Edelstahlbleche mit einer Dicke von 0,5 bis 1,0 mm. Zum anderen wird das Reinigen der Filter durch die konisch zulaufende Form der Löcher, die einen bevorzugten Durchmesser von 100 µm haben, zusätzlich vereinfacht. Und mit den Anlagen lassen sich große offene Flächen erzeugen. Sie stellen sicher, dass pro Zeiteinheit mehr Flüssigkeit aus der Form gepresst werden kann – und dies bei möglichst geringer Krafteinwirkung. Dafür bohrt der Elektronenstrahl mit einer Leistung von 2000 bis 3000 Hz circa 12 Mio. Öffnungen pro Quadratmeter.

Auftragsfertigung möglich

Häufig lohnt sich für Kunden die Anschaffung einer eigenen Mikrobohranlage nicht. Deshalb bietet Pro-Beam die Herstellung von Edelstahlfilterblechen und anderen Bauteilen in Auftragsfertigung an. Diese lohnt sich besonders bei kleinen Stückzahlen, der Herstellung von Prototypen und bei fehlendem Platz in der Produktion. Außerdem hilft sie, temporäre Engpässe, beispielsweise durch interne Betriebsausfälle, auszugleichen. Zum Produktportfolio von Pro-Beam gehören Elektronenstrahlanlagen zum Mikrobohren, Schweißen und Härten. Die Entwicklung von kundenspezifischen Elektronenstrahlanlagen rundet das Leistungsspektrum des Mittelständlers ab.

Mit den Mikrobohranlagen lassen sich sowohl runde Bohrungen als auch geometrisch flexible Löcher und Schlitze realisieren. Durch die Weiterentwicklung des EB-Verfahrens für Schlitze sollen diese künftig auch mit einer Größe von unter 90 µm gebohrt werden können. Derzeit lassen sich mit dem Elektronenstrahl üblicherweise Schlitze von 90 bis 150 µm erzeugen.

pro-beam GmbH & Co. KGaA, Gilching


Autor: Dr. Thorsten Löwer

CTO,

Pro-Beam

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