Elektronový svazek v technologiích

Dnes, stejně tak jako v minulosti, lidé hledají způsoby, jak ve svůj prospěch přetvářet a zušlechťovat to, co jim příroda poskytuje. Zpracovávat kovy se naučili již velmi dávno, a tato jejich snaha dala jména hned několika historickým epochám. Vývoj v této oblasti neustále pokračuje, nicméně základní principy zůstávají stejné. Kovové materiály je třeba tavit, zušlechťovat pomocí vhodných přísad, tepelně zpracovávat za účelem zlepšení jejich mechanických vlastností, opracovávat, dělit a znovu spojovat. Při mnohých ze jmenovaných postupů je nutné kovy vhodným způsobem zahřát, často na značně vysokou teplotu. V moderní době byl seznam tradičních způsobů ohřevu obohacen o řadu technologií využívajících laserový a elektronový svazek. Druhým jmenovaným se zabývá tento článek.

Na počátku využití elektronového svazku byl objev elektronu anglickým fyzikem J. J. Thomsonem v roce 18971. Ten svým objevem objasnil podstatu tzv. katodových paprsků, které v polovině 19. století byly zájmem mnoha dalších fyziků. Mezi nimi i profesora londýnské univerzity J. A. Fleminga. Ten si uvědomil, že vzniklý proud může procházet pouze jedním směrem, a že může být jevu použito k usměrňování střídavého proudu. Tak vznikla elektronka se dvěma elektrodami, zvaná dioda2. Elektronky se překotně rozvíjely a staly se nejrozšířenější aplikací „katodových paprsků“.

Ani technologické využití elektronového svazku na sebe nedalo dlouho čekat. Elektrony při interakci s pevnou látkou předávají velkou část své kinetické energie materiálu ve formě tepla, což bylo poprvé využito Němcem Marcello von Piranim k tavení kovů. Pirani si princip patentoval v roce 1905 v Německu a od dva roku později v USA (viz obr. 1). Zařízení, které představuje v podstatě vakuovou diodu s anodu tvořenou taveným kovem, se používá (samozřejmě v modernějším provedení) i dnes pro materiály ze skupiny obtížně tavitelných či vysoce reaktivních, mezi jinými například titan a jeho slitiny, tantal, niob, molybden, wolfram, zirkon, hafnium, vanad, uran, křemík, platinu nebo iridium. Jako zdroj elektronů slouží nejčastěji Piercova tryska. Též lze tímto způsobem zpracovávat některé keramické materiály. Přetavením ve vakuu lze získat velice čisté kovy či slitiny pro chemický nebo elektrotechnický průmysl. Obr. 1: Zařízení pro tavení kovů elektronovým svazkem, detail z americké patentové přihlášky M. von Piraniho.

V našem článku se budeme zabývat technologiemi, které na rozdíl od elektronové tavicí pece využívají fokusovaný elektronový svazek. Aby vznikla elektronová tryska poskytující svazek soustředěný na velmi malou plochu, musel proběhnout vývoj elektronové optiky spojený především s rozvojem televizní techniky a elektronové mikroskopie.

Elektronová tryska

K vytvoření elektronového svazku slouží elektronová tryska, někdy též označovaná jako elektronové dělo3. Potřebujeme-li svazek soustředit na malou plochu, je vhodná tryska s bodovým zdrojem elektronů. Schéma takové trysky je na obr. 2 společně se schématem černobílé televizní obrazovky. Ze srovnání vyplyne, že mají řadu společných prvků, což naznačují shodné pozice v obrázku.

Obr. 2: Princip elektronové trysky pro technologické účely (vlevo) a její srovnání s černobílou televizní obrazovkou (vpravo). Legenda: A – anoda, C – centrovací cívky, I – vysokonapěťový izolátor, K – katoda, O – zaostřovací cívka, S – elektronový svazek, V – vychylovací cívky.

K získání volných elektronů se zpravidla využívají termoemisní zdroje4. Popisovaná elektronová tryska má termoemisní katodu (K) žhavenou průchodem elektrického proudu. Katoda je nejčastěji z wolframového drátu ohnutého do tvaru písmene „V“. Na katodu je přivedeno urychlovací napětí ze zdroje vysokého napětí U_A, zatímco anoda (A) je na nulovém potenciálu. Mezi oběma elektrodami je tak vytvořeno silné elektrické pole, které urychluje elektrony směrem k anodě. Množství elektronů, které opustí katodu, lze ovlivňovat pomocí napětí U_W na třetí elektrodě (W) — tzv. Wehneltově válci. Jde v podstatě o obdobu řídící mřížky (M) v obrazovce či elektronce.

Ve vzduchu atmosférického tlaku je volná dráha elektronů velice krátká (typicky stovky nanometrů). Aby nedocházelo k rozptylu svazku kolizemi s molekulami vzduchu, je nutné dosáhnout dostatečného vakua v prostoru, kterým má procházet. Zatímco v pracovní komoře postačuje tlak pod 0,1 Pa, v prostoru katody je nutné lepší vakuum, zejména z důvodu zamezení nežádoucích reakcí horké katody se zbytkovým plynem a pro velmi dobré elektroizolační vlastnosti vysokého vakua. Zde je nutné udržovat tlak pod 0,001 Pa. To, že proces probíhá ve vakuu, je sice technická komplikace, na druhou stranu jsou zpracovávané materiály chráněny před reakcemi s okolní atmosférou. To je velmi výhodná skutečnost, neboť nedochází ke kontaminaci či oxidaci.

Anoda (A) má ve svém středu otvor, kterým prochází již urychlené elektrony do další části tubusu. Zde je svazek (S) nejprve pomocí magnetického pole centrovacího systému © vystředěn tak, aby probíhal po optické ose zařízení. Následně přirozeně rozbíhavé trajektorie jednotlivých elektronů ve svazku magnetické pole fokusační čočky (O) změní na sbíhavé tak, aby v místě dopadu měl svazek požadovaný průřez. Tímto způsobem lze dosáhnout značných hodnot plošné hustoty výkonu (až 1 MW/mm²).

V další části trysky se obvykle nachází vychylovací systém (V), který dává možnost svazek odklonit od své přímé dráhy a změnit místo dopadu. Většinou, ve shodě s televizními obrazovkami, je vychylovací systém magnetický. Výhoda ve srovnání s mechanickým způsobem je v téměř úplné absenci setrvačnosti polohování, což umožňuje přesouvat svazek obrovskými rychlostmi (až tisíce metrů za sekundu) a prakticky okamžitě jej v cílovém bodě zastavit.

Obrábění

Prvním známým použitím elektronového svazku k obrábění bylo vytváření clonek s miniaturními otvory pro použití v elektronových mikroskopech a to přímo svazkem v mikroskopu samém (práce von Ardene okolo roku 1938). V roce 1942 von Borris obdržel patent na elektronově-optický vrtací přístroj. V roce 1949 německý fyzik Karl-Heinz Steigerwald, který se zabýval mimo jiné výrobou safírových ložisek do hodinek, zahájil se svými spolupracovníky výzkum tepelného působení svazku. Ten v roce 1952 vyústil v konstrukci prvních průmyslově použitelných vrtacích zařízení. Ze všech uvedených technologií vyžaduje obrábění nejvyšší výkonovou hustotu svazku. Aby došlo k odpaření materiálu, je třeba dosáhnout hodnot v řádu 0,1 až 1 MW/mm². Moderní zařízení, pracující většinou s urychlovacím napětím 150 kV, 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. Touto metodou lze vrtat i díry, které nejsou kolmé k povrchu součástky5.

Svařování

Ačkoliv uvedená schopnost elektronového svazku zahřát materiál na vysokou teplotu byla známa již dlouho před druhou světovou válkou, historie elektronového svařování začala až v padesátých letech 20. století. První publikovaná práce na toto téma byla od J. A. Stohra z roku 1957 působícího ve Francii, ačkoliv Steigerwald měl v té době k dispozici vrtací zařízení, které bylo jistě schopno i svařovat, ale zřejmě chyběla potřeba. V dalších letech vznikají obdobná zařízení jako Stohrovo i v Německu, Velké Británii, Spojených státech a Rusku. Jedna z prvních elektronových svářeček v bývalém Československu vznikla nedlouho po první publikaci v roce 1963 i v Ústavu přístrojové techniky v Brně.

Ze všech uvedených technologií je svařování elektronovým svazkem zřejmě nejrozšířenější a pro svoje charakteristické a unikátní vlastnosti si vydobylo pevné postavení v mnoha významných průmyslových odvětvích, jako například v automobilovém, jaderném či leteckém průmyslu. Zaostřený svazek zahřívá materiál spojovaných součástek na teplotu vyšší, než je teplota tavení. Při dobře sesazených komponentech dojde k promísení taveniny na rozhraní, většinou bez přídavku materiálu, a po vychladnutí vzniká pevný spoj. Svazek má díky tzv. hloubkovému efektu schopnost pronikat pod povrch vysokou rychlostí. To umožňuje vytvářet velmi hluboké průvary, které navíc vynikají minimální šířkou tepelně ovlivněné oblasti. Dosahovaný poměr hloubky k šířce svaru je až 30:1. Průvary dosahované v současnosti špičkovými zařízeními jsou více než 150 mm hluboké. Současně existuje jako protipól oblast svarů se sub-milimetrovými (viz obr. 3) až mikrometrovými rozměry.

Obr. 3: Detail membránového vlnovce. Je svařen elektronovým svazkem z desítek nerezových mezikruží, každé o tloušťce jen 0,05 mm.

K dalším charakteristickým rysům elektronového svařování patří malá deformace součástí po vychladnutí, minimální převýšení svarového kovu a tím ušetření případného opracování povrchu svaru, pevnost svaru blízká pevnosti základního materiálu, velká přesnost a reprodukovatelnost, stálá vysoká kvalita svarů, možnost svařování obtížně svařitelných kovů a svařování kombinací různorodých kovů, které nelze často jinými metodami svařit. Poslední vlastnost je využívána u součástí, na které jsou kladeny protichůdné požadavky například z hlediska tepelné vodivosti, houževnatosti, tvrdosti apod. Svařením jednotlivých komponent z různých materiálů lze pak vytvořit výslednou součást s požadovanými vlastnostmi. Mezi jinými lze uvést kombinace hliníku s titanem, niklem nebo stříbrem nebo svary mědi s nerezí. Dnešní komerčně dostupné zařízení disponují pracovními komorami nejrůznějších rozměrů, od miniaturních s objemem několika litrů až po obří zařízení s objemem 630 m³. Podle použitého urychlovacího napětí se ustálily dvě třídy svářeček s urychlovacím napětím 60 kV a 150 kV.

Tepelné zpracování povrchové vrstvy

Schopnost intenzivního elektronového svazku vysokou rychlostí zahřát malý objem materiálu spolu s rychlým vychylováním svazku a velmi dobrou regulovatelností a reprodukovatelností celého procesu přináší nové možnosti v tepelném zpracování kovů. Počítačem řízené vychylování umožňuje dosáhnout téměř libovolného rozložení tepelného příkonu v ploše a tak ovlivnit přesně definovanou oblast součástky. Kontrolou procesních parametrů lze zajistit požadovaný teplotní profil.

Do skupiny tepelného zpracování v tuhé fázi — tedy v případech, kdy nedochází k roztavení materiálu — patří tvrzení a žíhání. Při povrchovém tvrzení se využívá toho, že po velmi krátkou dobu trvajícím ohřevu tenké povrchové vrstvy dochází k rychlému odvodu tepla z horké zóny do hloubky materiálu a tím k zakalení povrchové vrstvy materiálu. Pokles teploty dosahuje rychlosti až 10⁴ K/s. Žíhání se uplatní zejména při lokální povrchové rekrystalizaci. Dojde-li při procesu k roztavení materiálu, mluvíme o zpracování v tekuté fázi. Přetavení povrchové vrstvy se uplatní například při zhutňování litiny či hliníkových licích slitin, případně ke „slití“ porézních povlaků získaných například šopováním. Při legování je roztavena tenká vrstva materiálu spolu s deponovanou vrstvou vhodné příměsi. Difúzním procesem v tekuté fázi dojde ke vzniku požadované slitiny. Při plátování (v podstatě jde o navařování) dojde k celoplošnému přitavení přidané vrstvy materiálu. Disperzním přetavením se dosáhne rozptýlení drobných částic v tavenině. Tím lze například zvýšit otěruvzdornost houževnatého materiálu obohacením o tvrdá zrna.

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, dojde-li jen k přetavení materiálu nebo k jeho odpaření a tím ke vzniku depresí. Tímto postupem lze například vytvářet značky či nápisy na povrchu součástek. Možné praktické užití je například „vyražení“ sériového čísla svaru s logem firmy a podobně. Že je uvedeným postupem možno přenést na kovovou podložku i fotografii, je vidět na obr. 4.

Obr. 4: Fotografie přenesená pomocí elektronového svazku na kovovou destičku. Přetavená místa se jeví jako tmavší. Skutečná velikost cca 60×40 mm.

Aditivní postupy pro rychlou prototypovou výrobu

Díky této pozoruhodné technice lze vyrobit trojrozměrnou kovovou součást na základě virtuálního modelu v počítači. Princip spočívá ve 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 opět lokálně roztaven, přičemž dojde k propojení s předchozí vrstvou. Proces se opakuje tak dlouho, až je kompletní celý objem tělesa. Nepřetavený prášek se použije pro výrobu dalšího kusu. Tloušťka jedné vrstvy je 0,05 až 0,2 mm, dosahovaná laterální přesnost až 0,4 mm. Rychlost přetavování materiálu je okolo 60 cm³/hodinu. Používané materiály jsou například čistý titan a jeho slitiny (pro použití v lékařství) nebo slitina kobaltu, chromu a molybdenu (pro použití v lékařství či pro výrobu forem pro vstřikování plastů). Mezi aplikace patří například výroba implantátů zhotovených na míru podle podkladů z počítačové tomografie. Obdobná známější laserová technika je založena na vytvrzování polymeru UV zářením. Takto získaný výrobek však svými mechanickými vlastnostmi nemůže konkurovat kovovým tělesům získaným 3D-tiskem elektronovým svazkem. Ty svými mechanickými vlastnostmi často předčí, alespoň podle tvrzení firmy, výrobky získané konvenčním obráběním .

1. 1. Za tento objev obdržel v roce 1906 Nobelovu cenu.
2. 2. 16. února 1904 byla dioda patentována v Británii (číslo patentu 24 805).
3. 3. V literatuře (zejména mikroskopické) se jako elektronová tryska často označuje jen samotný zdroj elektronů (katoda) a urychlovací elektrostatická čočka. V jiných odvětvích se tak označuje celý elektronově-optický systém. V tomto textu se budeme držet druhého významu.
4. 4. Jev jako první popsal Frederick Guthrie roku 1873, zabýval se jím mimo jiné Thomas A. Edison. Owen Willans Richardson získal za práci na tomto tématu v roce 1928 Nobelovu cenu
5. 5. Více na http://www.steigerwald-eb.de/ a http://www.ebdrilling.com/.