DE2458370A1

DE2458370A1 - Energiestrahl-gravierverfahren und einrichtung zu seiner durchfuehrung

Info

Publication number: DE2458370A1
Application number: DE19742458370
Authority: DE
Inventors: Peter Ing Grad Anderl; Monika Ing Grad Geffcken; Joachim Ing Grad Geissler
Original assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Current assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Priority date: 1974-12-10
Filing date: 1974-12-10
Publication date: 1976-06-16
Also published as: JPS6111789B2; GB1535302A; US4028523A; DE2458370C2; JPS5177998A

Description

24R837Q

9440-74 Dr.v.B/S 10. Dezember 1974

Steigerwald Strahltechnik GmbH., 8000 München 70,

Haderunstraße 1a

Energiestrahl-G-ravierverfahren und Einrichtung zu seiner Durchführung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiestrahl-Gravierverfahren zum Erzeugen näpfchenförmiger Vertiefungen unterschiedlicher Abmessungen in einer Oberfläche eines Werkstücks, bei welchem Vertiefungen kleinerer bzw. größerer Abmessungen durch kürzer bzw. länger dauernde Einwirkung eines Energiestrahles, insbesondere eines Ladungsträgerstrahles, vorzugsweise eines Elektronenstrahles, vorgegebener, im wesentlichen konstanter Leistung, der in eine bei der zu gravierenden Oberfläche gelegene Bildebene fokussiert ist, erzeugt werden.

Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Aus der DT-AS 1 123 571, der DL-PS 55 965 und der DT-OS 2 111 628 sind bereits Verfahren zum Herstellen von Tiefdruckformen mittels eines Elektronenstrahles bekannt, mit denen näpfchenförmige Vertiefungen (im folgenden kurz "Näpfchen") der verschiedensten Formen hergestellt werden können. Dabei sind die folgenden Parameter des Energiestrahls steuerbar: Intensität, Brennfleckgröße, Lage des Brennflecks, Intensitätsverteilung, Bewegung des Brennflecks und Einwirkungsdauer. Bei der Erzeugung kleinerer und größerer Näpfchen eines vorgegebenen Typs wird dabei jedoch im allgemeinen nur einer dieser Parameter geändert, also z.B. die Intensität oder die Einwirkungsdauer des Ladungsträgerstrahls.

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Aus der DT-OS 2 207 090 ist es ferner bekannt, runde und rhombische Näpfchen durch einen Ladungsträgerstrahl mit elliptischem Querschnitt zu erzeugen, bei dem das Achsenverhältnis mittels eines Stigmators gesteuert werden kann. Die Querschnittsfläche des gravierenden Ladungsträgerstrahls ist im allgemeinen wesentlich kleiner als die des zu gravierenden Näpfchens. Beim Gravieren wird beim einen Rand bzw. bei der einen Ecke des Näpfchens mit praktisch punktförmiger Fokussierung des Ladungsträgerstrahles begonnen und der Ladungsträgerstrahl wird dann quer über die Näpfchenfläche abgelenkt, sowie ellipsen- bzw. strichartig bis zu einer maximalen Größe verzerrt und dann wieder verkleinert.

Das Gravieren der Näpfchen wird hinsichtlich des apparativen Aufwandes und der Steuerung der Apparatur wesentlich einfacher, wenn der Energiestrahl während des Gravierens eines vorgegebenen Näpfchens nicht abgelenkt zu werden braucht und wenn man bei allen Näpfchengrößen mit der gleichen Strahlleistung arbeiten kann. Wenn man jedoch, wie es auch z.B. aus der DL-PS 55 965 bekannt ist, die Strahlleistung konstant hält und die unterschiedlichen Abmessungen der Näpfchen nur durch eine entsprechende Steuerung der Einwirkungsdauer erzeugt, so muß man in der Praxis hinsichtlich der Strahlparameter Kompromisse schließen, die erhebliche Nachteile mit sich bringen. Vor allem tritt bei kleinen Näpfchen eine starke Gratbildung am Näpfchenrand auf, und der Näpfchengrund wird unregelmäßig, außerdem besteht die Neigung, daß bei lichten Tönen der Näpfchendurchmesser zu klein wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Energiestrahl-Gravierverfahren anzugeben, bei dem unabhängig von der Größe der verschiedenen Näpfchen eine gleichmäßige Kalottenform der Näpfchen, ein glatter Näpfchenboden und ein gratfreier Rand gewährleistet sind.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 unter Schutz gestellte Verfahren gelöst.

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Die durch das Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten näpfchenförmigen Vertiefungen haben unabhängig von ihrer Größe eine gleichmäßige Kalottenform, einen glatten Boden und einen gratfreien Rand. Da die Leistung des Energiestrahles unabhängig von der Größe der zu erzeugenden Näpfchen ist und daher konstant gehalten werden kann, liefert das vorliegende Verfahren sehr gut reproduzierbare Ergebnisse und auch bei langer Gravierdauer ist ein konstanter funktioneller Zusammenhang zwischen dem die Gravieranlage steuernden Tonwertsignal und der Näpfchengröße gewährleistet.

Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 stark vergrößerte Querschnittsansichten zweier näpfchenförmiger Vertiefungen, die nach einem bekannten Verfahren hergestellt wurden;

J¹IgUr 2 Querschnittsansichten zweier entsprechender Vertiefungen, die durch das vorliegende Verfahren hergestellt wurden, und. .

Figur 3 eine vereinfachte Ansicht einer Einrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens.

Figur 1 zeigt zwei Näpfchen 10 und 12, die in der Oberfläche H eines Tiefdruckzylinders mittels eines fokussierten Elektronenstrahls hergestellt wurden. Das Näpfchen 10 entspricht der Dichte oder dem Tonwert 1,5 während das Näpfchen 12 dem Tonwert 0,05 entsprechen soll. Bei der Herstellung des Näpfchens 10 wirkte der gravierende Elektronenstrahl in bekannter Weise langer ein als bei der Herstellung des Napfchens12 , sonst waren die Strahlparameter bei der Herstellung der beiden Näpfchen gleich.

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Während das Näpfchen 10 zufriedenstellend ist, hat das Näpfchen 12 am Rand einen hochstehenden Grat 16 und der Boden des Näpfchens ist verhältnismäßig unregelmäßig.

Ähnliche Ergebnisse erhält man auch, wenn man außer der Einwirkungsdauer auch die Strahlintensität (Strahlleistung) proportional zur Näpfchengröße verändert.

Es wurde nun gefunden, daß man die bisher bei kleineren Näpfchen auftretende Gratbildung vermeiden kann, ohne auf den Vorteil der unabhängig von der Näpfchengröße konstanten Strahlleistung verzichten zu müssen, wenn man die Fokussierung des gravierenden Energiestrahles so ändert, daß die Fokus- oder Bildebene (Gauß'sche Bildebene) bei kleineren Näpfchen näher an der zu gravierenden Oberfläche liegt als bei größeren Näpfchen. Wenn, wie es beim Gravieren von Tiefdruckformen im allgemeinen der Pail ist, die Näpfchengröße zwischen einer unteren und einer oberen Grenze liegt, wird der Energiestrahl beim Gravieren von Näpfchen, deren Größe der unteren Grenze des Größenbereiches entspricht, im wesentlichen in die Oberfläche des zu gravierenden Werkstückes fokussiert und die Bildebene wird mit zunehmender Näpfchengröße zunehmend weiter in das Innere des Werkstücks verlegt. Durch diese Maßnahme erhält man, wie es schematisch in Figur 2 dargestellt ist, Näpfchen 10¹ bzw. 12 * unterschiedlicher Tiefe und unterschiedlichen Durchmessers, die einen glatten Boden haben sowie am Rand gratfrei sind.

Torzugsweise wird bei der Erzeugung aller Näpfchen mit Energiestrahlen gearbeitet, die sehr steile Flanken haben. Vorzugsweise soll der auf die Strahlmittelachse 18 (Figur 2) bezogene Radius rg_Q, bei dem die Strahlenergie auf 60 fi des Maximalwertes abgesunken ist, mindestens 0,95 r™ sein, wobei r₅₀ der Radius ist, bei dem die Strahlenergie auf 50 $> ihres Maximalwertes abgesunken ist.

Vorzugsweise wird die Energieverteilung in Abhängigkeit von der Näpfchengröße so gesteuert, daß sie bei größeren

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Gravurtiefen vom Radius r^_Q dom- oder dachartig zur Strahlachse hin ansteigt, während es bei kleinen Gravurtiefen günstiger ist, wenn die Stromdichte über die gesamte Fläche des Näpfchens nahezu unverändert bleibt. Beispiele für zweckmäßige Energieverteilungen sind in Figur 2 für die Näpfchen TO¹ und 12' durch die gestrichelten Kurven 20 bzw. 22 dargestellt.

Figur 3 zeigt eine bevorzugte Elektronenstrahl-Graviereinrichtung zur Durchführung des oben erläuterten Verfahrens. Die Einrichtung gemäß Figur 3 enthält ein evakuierbares Gehäuse 24, in dem auch das zu gravierende Werkstück, z.B₀ ein Tiefdruckzylinder 26, angeordnet ist. Das Gehäuse ist in üblicher Weise mit einer nicht dargestellten Vakuumanlage verbunden und enthält ein nur teilweise und schematisch dargestelltes Strahlerzeugungssystem 28, das einen Elektronenstrahl 30 liefert. Die Beschleunigungsspannung und die Emissionsstromstärke des Elektronenstrahls liegen in üblichen Bereichen und können z.B. 20 bis 100 kV bzw. 10 bis 100 mA betragen, bevorzugt 50 kV/50 mA. Der am Werkstück wirksame Strahlstrom beträgt das 0,2-bis 0,8-fache des Emissionsstroms, bevorzugt das 0,3-bis 0,5-fache. In Strahlrichtung hinter dem Strahlerzeugungssystem 28 befindet sich eine elektrostatische Ablenkanordnung mit zwei Ablenkplatten, durch die der Strahl aus der gestrichelt gezeichneten axialen Lage, in der er auf das Werkstück auftrifft, in eine abgelenkte, punktiert gezeichnete lage abgelenkt werden kann, in der er auf einen Auffänger 34 auftrifft. Die Ablenkanordnung wird durch eine Ablenkschaltung gespeist und gestattet zusammen mit dieser, die Einwirkdauer des Elektronenstrahls auf das Werkstück entsprechend einem der Ablenkschaltung über eine Leitung 38 zugeführten Steuersignal zu steuern.

Der Elektronenstrahl 30 wird durch eine Hauptfokussierungs, spule 40, die mit einer einstellbaren Stromquelle 42 verbunden ist, grob fokussiert. Die Feinfokussierung und Inderung der Fokussierung in Abhängigkeit von der Graviertiefe bzw. den Abmessungen der zu erzeugenden Näpfchen erfolgt durch eine Hilfs fokussierungsspule 44, welche mit einer steuerbaren Stromquelle 46 verbunden ist. Die Stromquelle 46 ist durch ein Steuersignal steuerbar, das ihr über eine Leitung 48 zugeführt wird.

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Die Steuersignale auf den Leitungen 38 und 48 werden durch eine Steuersignalquelle 50 erzeugt, der als Eingangssignal ein in bekannter Weise erzeugtes Rasterpunktsignal zugeführt wird.

Vorzugsweise wird der Elektronenstrahl durch die Hauptfokusäerungsspule 40 in eine Ebene fokussiert, die dem Maximalwert oder Minimalwert der Graviertiefe bzw. Näpfchengröße entspricht. Der Strom in der Hilfsfokussierungsspule 44 wird dann in Abhängigkeit vom Rasterpunktsignal so gesteuert, daß sich die oben erläuterte Beziehung zwischen der Lage der Foiussierungsebene und der Näpfchengröße ergibt. Man kann z.B. den Strahl mittels der Hauptfokussierungsspule 40 in die Ebene 52 fokussieren, die durch den Schnittpunkt der Strahlachse mit der Werkstückoberfläche geht. Die Steuersignalquelle 50 wird dann in Verbindung mit der Stromquelle 46 so ausgelegt, daß diese Fokussierung für die minimale Napfchengröße bzw. -tiefe wirksam wird und daß die Fokussierungs- oder Bildebene mit zunehmender Näpfchengröße weiter von der Ebene 52 entfernt wird, vorzugsweise soll sie dabei in das Werkstück hinein wandern, also sich in Richtung auf den Zustand der Unterfokus sierung ändern.

Die oben erwähnte Änderung der Energieverteilung im Strahl querschnitt kann durch entsprechende Auslegung des Linsensystems und der Elektronenstrahlquelle und/oder durch zusätzliche, nicht dargestellte elektronenoptische Mittel, wie Stigmatorspulen und dergl. bewirkt werden.

Anstelle eines Elektronenstrahls kann man selbstverständlich auch einen Ionenstrahl oder einen Strahl elektromagnetischer Energie, insbesondere einen Laserstrahl, verwenden. Man kann auch den Elektronenstrahl 30 oder einen anderen Ladungsträgerstrahl mittels der Hauptfokussierungsspule 40 umfokussieren; im allgemeinen wird es jedoch zweckmäßiger sein, die Änderung der Fokussierung in Abhängigkeit von der G-raviertiefe durch eine getrennte Hilfsfokussierungsspule kleiner Induktivität zu bewirken.

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Da die Strahlleistung unabhängig von der Graviertiefe ist, kann man die Strahlspannung und den Strahlstrom in üblicher Weise regeln.

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Claims

Patentansprüche

1. Energiestrahl-Gravierverfahren zum Erzeugen von Vertiefungen unterschiedlicher Abmessungen in einer Oberfläche eines Werkstücks, bei welchem Vertiefungen kleinerer bzw. größerer Abmessungen durch kürzer bzw. länger dauernde Einwirkung eines Energiestrahles vorgegebener, im wesentlichen konstanter leistung, der in eine bei der zu gravierenden Oberfläche gelegene Bildebene fokussiert ist, erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß außer der Dauer der Einwirkung des EnergieStrahles auf einen vorgegebenen Bereich der zu gravierenden Oberfläche gleichzeitig auch seine Fokussierung derart gesteuert werden, daß die Bildebene bei kleineren Vertiefungen näher an der Oberfläche liegt als bei größeren.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Herstellen von näpfchenförmigen Vertiefungen, deren Durchmesser und Tiefe zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert liegen, d a d u r ch gekennzeichnet , daß die Fokussierungsebene des Energiestrahles mit zunehmender läpfchentiefe von einem Ort in oder in nächster Nähe der Werkstückoberfläche zunehmend weiter in das Innere des Werkstücks verlegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierung derart gesteuert wird, daß die Energiedichte im Strahlquerschnitt bei kleinerer Gravurtiefe wenigstens annähernd konstant ist, während sie bei großer Gravurtiefe mit zunehmendem Abstand von der Strahlachse abnimmt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch g e kennzeichnet , daß die Energiedichte bei großer Gravurtiefe in der Mitte mindestens 15 # größer ist als bei der halben Halbwertsbreite (^cq)·

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Steuerschaltung, die die Einwirkdauer des Energiestrahles auf das Werkstück in Abhängigkeit von einem Steuersignal steuert, gekennzeichnet durch eine durch das Steuersignal gesteuerte Fokussierungseinrichtung (44, 46) für den Energiestrahl.

6. Einrichtung nach Anspruch 5 mit einer Elektronenstrahlquelle, einer Hauptfokussierungsspule und einer Hilfsfokussierungsspule für den Elektronenstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der Hilfsfokussie, rungsspule (44) in Abhängigkeit vom Steuersignal steuerbar ist.

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