DE19921000A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken aus hochreinem Metall - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken aus hochreinem Metall, mit mehreren Vakuumbearbeitungsstationen zur Desorption, Beschichtung und Homogenisierung der Werkstücke, sind jeweils einer Hochvakuumstation drei Ultrahochvakuumstationen zugeordnet, wobei die vier Vakuumbearbeitungsstationen die Ecken eines Karees bilden und die drei Ultrahochvakuumstationen für die Aufnahme von jeweils einem Werkstück eingerichtet sind, währende die Hochvakuumstation für die gleichzeitige Aufnahme von drei Werkstücken bemessen ist, wobei eine im Zentrum des Karees stehende Bedienperson oder ein Manipulator für eine erste Beschichtungsphase in jede der Ultrahochvakuumbearbeitungsstationen jeweils ein Werkstück zum Zwecke der Desorption und Beschichtungsbehandlung einführt und für eine zweite Bearbeitungsphase die Werkstücke den drei Ultrahochvakuumbearbeitungsstationen entnimmt und alle drei Werkstücke der Hochvakuumbearbeitungsstation zum Zwecke der Diffusions- und/oder einer Beschichtungsbehandlung zuführt und in einer dritten Bearbeitungsphase die drei Werkstücke der Hochvakuumbehandlungsstation entnimmt und für ihre Verwendung außerhalb der Reinraumzelle bereitstellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bear­ beiten von Werkstücken aus hochreinem Metall, mit mehreren Vakuumbearbeitungsstationen zur Desorpti­ on, Beschichtung und Homogenisierung der Werkstüc­ ke sowie eine Verfahren zur Herstellung der Werk­ stücke unter Verwendung der Vorrichtung.

Es ist bekannt, Niobium-Resonatoren durch eine zweistufige Vakuumwärmebehandlung zur Herstellung von Hochleistungsspulen für die Beschleunigung von Elementarteilchen der Materie vorzubereiten. Die aus hochreinem, aus im Elektronenstrahlumschmelz­ verfahren gewonnenem Niobium gefertigten Resonato­ ren weisen erfahrungsgemäß nach dem Verformen und Fügen mechanisch bedingte Restspannungen auf und sind durch ein anschließendes Behandeln im Ätzbad mit Wasserstoffionen an der Oberfläche kontami­ niert und durch das Handhaben unter Normaldruck an ihrer Oberfläche mit Wasser belegt. Üblicherweise erfolgt die Bearbeitung der Werkstücke in einem horizontal angeordneten Vakuumglühofen, und zwar sowohl für ein Spannungsfreiglühen als auch zum Trocknen und Entgasen. Nach der Vakuumofenabküh­ lung bis auf Raumtemperatur werden bei dem bekann­ ten Verfahren die dechargierten Niobium- Resonatoren in Spezialfolie eingepackt und zu ei­ nem relativ weit entfernten Ultrahochvakuumwärme­ behandlungsofen transportiert, wobei die allseiti­ ge Oberflächenkontamination mit Staub und Wasser bis zu einem gewissen Grad unvermeidlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Werk­ stücke aus hochreinem Metall zu homogenisieren und zu Desorbieren und diese so aufzuarbeiten, daß sie auch ohne eine die Werkstücke umschließende Ver­ packung handhabbar sind. Darüber hinaus soll eine Vorrichtung geschaffen werden, die eine kontinu­ ierliche und weitgehend automatische Produktion großer Mengen von Resonatoren aus hochreinem Me­ tall ermöglicht. Schließlich soll die Fläche, auf der die Behandlung der Resonatoren in der gefor­ derten Weise erfolgt, möglichst klein sein, gemes­ sen an der Stückzahl der auf ihr behandelten Werk­ stücke.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfin­ dung gelöst durch eine Vorrichtung, bei der je­ weils einer Hochvakuumstation drei Ultrahochvaku­ umstationen zugeordnet sind, wobei die vier Vaku­ umbearbeitungsstationen in einer Reinraumzelle die Ecken eines Karrees bildend angeordnet sind, wobei die drei Uktrahochvakuumstationen jeweils mit Me­ tallkernen oder Metallzylindern und/oder Heizele­ menten bestückt sind und für die Aufnahme von je­ weils einem Werkstück eingerichtet sind, während die Hochvakuumstation für die Aufnahme von drei Werkstücken bemessen ist, wobei eine im Zentrum des Karrees stehende Bedienperson oder ein Manipu­ lator für eine erste Beschichtungsphase in jede der Ultrahochvakuumbearbeitungsstationen jeweils ein Werkstück zum Zwecke der Desorption und Be­ schichtungsbehandlung einführt und für eine zweite Bearbeitungsphase die Werkstücke den drei Ul­ trahochvakuumbearbeitungsstationen entnimmt und alle drei Werkstücke der Hochvakuumbearbeitungs­ station zum Zecke der Diffusions- und/oder einer Beschichtungsbehandlung zuführt und in einer drit­ ten Bearbeitungsphase die drei Werkstücke der Hochvakuumbehandlungsstation entnimmt und für ihre Verwendung außerhalb der Reinraumzelle bereit­ stellt.

Vorzugsweise sind bei einer größeren Vorrichtung die Handlingsautomaten zusammen zwei Reihen bil­ dend, beiderseits und parallel einer geraden Füh­ rungsstraße aufgestellt, wobei jeweils jede dritte Vakuumbehandlungsstation der in der einen Linie aufgestellten Vakuumbehandlungsstation eine Hoch­ vakuumbehandlungsstation ist und die erste und dann jede weitere vierte Vakuumbehandlungsstation der parallelen zweiten Reihe eine Hochvakuumbe­ handlungsstation ist, wobei alle Vakuumbehand­ lungsstationen in einer entsprechenden Anzahl von Reinraumzellen untergebracht sind, die alle zusam­ men eine Reinraumfertigungsstraße bilden.

Beim Verfahren zum Bearbeiten von als Hohlkörper ausgeformten Werkstücken aus hochreinem Metall in mehreren, innerhalb eines Reinraumes angeordneten Vakuumbearbeitungsstationen zum Zwecke ihrer Desorption, Beschichtung und Homogenisierung wer­ den in einem ersten Verfahrensschritt jeweils drei Ultrahochvakuumbearbeitungsstationen, die mit Heizelementen und Metallzylindern ausgerüstet sind, mit jeweils einem Werkstück bestückt und im Ultrahochvakuum getrocknet und auf ihrer Außensei­ te beschichtet und in einem zweiten Verfahrens­ schritt nach ihrer Abkühlung auf etwa Raumtempera­ tur den Ultrahochvakuumbearbeitungsstationen ent­ nommen und gemeinsam in die Kammer einer Hochvaku­ umbearbeitungsstation eingebracht, wo sie in einem dritten Verfahrensschritt erhitzt und mit einer weiteren Beschichtung versehen und in einem vier­ ten Verfahrensschritt nach ihrem Abkühlen aus der Hochvakuumkammer ausgeschleust und ihrer weiteren Verwendung innerhalb der Reinraumzelle zugeführt werden.

Wesentlich für die Erfindung ist, daß jeweils ei­ ner Hochvakuumbehandlungsstation drei Ultrahochva­ kuumbehandlungsstationen zugeordnet sind, wobei eine Vielzahl von Behandlungsstationen vorgesehen sind, die zusammen in zwei zueinander parallelen Reihen mit etwa gleichen Abständen zueinander in einem Reinraum oder mehreren Reinraumabschnitten aufgestellt sind, wobei eine Hochvakuumbehand­ lungsstation abwechselnd in der einen Linie und die nächstfolgende Hochvakuumbehandlungsstation in der anderen Linie aufgestellt ist, so daß sie zu­ sammen in der Draufsicht ein Zickzack oder eine wechselweise Anordnung bilden.

Weitere Einzelheiten und Merkmale sind in den Pa­ tentansprüchen beschrieben und gekennzeichnet.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausfüh­ rungsmöglichkeiten zu; eine davon ist in den an­ hängenden Zeichnungen näher dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 ein Teilstück eine Fertigungslinie mit vier Ultrahochvakuumbehandlungsstationen und zwei größeren Hochvakuumbehandlungs­ stationen in der Draufsicht,

Fig. 2 die Anordnung gemäß Fig. 1 in der Seiten­ ansicht und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer kom­ pletten Fertigungsstraße mit insgesamt 8 Hochvakuumbehandlungsstationen und 22 Ul­ trahochvakuumbehandlungsstationen und ei­ nem längsverschiebbaren Manipulator für das Ein- und Ausschleusen und das Bereit­ stellen der Werkstücke.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind in einer Rein­ raumzelle 3c drei Ultrahochvakuumbehandlungssta­ tionen 7, 8, 9 und eine Hochvakuumstation 10 ange­ ordnet, und zwar derart, daß sie von einem längs einer Fertigungsstraße 2 bewegbaren Manipulator 11 alle etwa den gleichen Abstand aufweisen. Mittels des Manipulators 11 können alle vier Vakuumbehand­ lungsstationen 7, 8, 9, 10 mit Hohlraumresonatoren 12, 13, 14, . . . beladen bzw. entladen werden.

Wie Fig. 2 zeigt, sind die Ultrahochvakuumbehand­ lungsstationen 7, 8, 9 bzw. deren Behandlungskammern so bemessen, daß sie jeweils einen Hohlraumresona­ tor 12, . . .,16 zur Behandlung aufnehmen können, wäh­ rend die Hochvakuumbehandlungsstation 10 über eine Vakuumkammer verfügt, in die gleichzeitig drei Hohlraumresonatoren 12, 13, 14, . . . eingeführt werden können. Die in die Ultrahochvakuumbehandlungssta­ tionen 7, 8, 9 eingebrachten Hohlraumresonatoren 15, 16, . . . sind jeweils von einem hülsenförmigen Titanzylinder 17, 18, . . . und einem Heizelement 20, 21, . . . umschlossen, während in jeden der drei in der Hochvakuumbehandlungsstation 10 gehaltenen Hohlraumresonatoren 12, 13, 14 jeweils ein Titanstab 22, 23, . . . hineinragt. Beiderseits der beiden Reihen von Ultrahochvakuumbehandlungsstationen 7, 8, 9, . . . und Hochvakuumbehandlungsstationen 10, . . . sind die für den Betrieb notwendigen elektrischen Schalt­ schränke und die Vakuumpumpen angeordnet (die we­ gen der besseren Übersichtlichkeit nicht näher be­ zeichnet sind).

Die in Fig. 3 gezeigte Reinraumzelle 3 h am rechten Ende der Fertigungsstraße 2 ist mit nur einer Ul­ trahochvakuumbehandlungsstation und nur einer Hochvakuumbehandlungsstation ausgestattet, wobei diese beiden Stationen als Reservestationen dienen und im Falle des Ausfalls einer der anderen Be­ handlungsstationen vom Manipulator 11 bedient wer­ den.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken aus hochreinem Metall, mit mehreren Vakuum­ bearbeitungsstationen zur Desorption, Be­ schichtung und Homogenisierung der Werkstüc­ ke, wobei jeweils einer Hochvakuumstation drei Ultrahochvakuumstationen zugeordnet sind und die vier Vakuumbearbeitungsstatio­ nen in einer Reinraumzelle die Ecken eines Karrees bildend angeordnet sind, wobei die drei Ultrahochvakuumstationen jeweils mit Metallkernen oder Metallzylindern und Heize­ lementen bestückt sind und für die Aufnahme von jeweils einem Werkstück eingerichtet sind, während die Hochvakuumstation für die gleichzeitige Aufnahme von drei Werkstücken bemessen ist, wobei eine im Zentrum des Kar­ rees stehende Bedienperson oder ein Manipu­ lator für eine erste Beschichtungsphase in jede der Ultrahochvakuumbearbeitungsstatio­ nen jeweils ein Werkstück zum Zwecke der Desorption und Beschichtungsbehandlung ein­ führt und für eine zweite Bearbeitungsphase die Werkstücke den drei Ultrahochvakuumbear­ beitungsstationen entnimmt und alle drei Werkstücke der Hochvakuumbearbeitungsstation zum Zwecke der Diffusions- und/oder einer Beschichtungsbehandlung zuführt und in einer dritten Bearbeitungsphase die drei Werkstüc­ ke der Hochvakuumbehandlungsstation entnimmt und für ihre Verwendung außerhalb der Rein­ raumzelle bereitstellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Werkstücke aus Niobium hergestellte Hohlraumresonatoren sind und die Kerne aus Titan bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hochvakuumstationen mit Heizelementen zur Wärmebehandlung der Werk­ stücke ausgestattet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kerne aus Titan sowohl als den Hohlraum der Resonatoren durchgreifende Stangen als auch die Resonatoren von außen umschlingende Rohrstücke ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß den Titankernen innerhalb der Ultrahochvakuumkammern Widerstandsheizele­ mente zugeordnet sind, die die Titankerne bis auf ihre Verdampfungstemperatur aufhei­ zen und ein Kondensieren des Titans auf den Resonatoren bewirken.

6. Vorrichtung nach eine oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Vielzahl von im Karree aufge­ stellter Gruppen von Vakuumbearbeitungssta­ tionen entlang einer geraden Fertigungsstra­ ße vorgesehen sind, wobei jede Gruppe drei Hochvakuumstationen mit Heizelementen und Kernen und eine Ultrahochvakuumstation mit einem Heizelement umfaßt, wobei die Hochva­ kuumstation abwechselnd auf dem jeweils er­ sten Platz der ersten Reihe und anschließend auf dem zweiten Platz der jeweils ersten Reihe des Karrees angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fertigungsstraße sieben Reinraumzellen mit jeweils drei Ultrahochva­ kuumbearbeitungsstationen und einer Hochva­ kuumbearbeitungsstation umfaßt.

8. Verfahren zum Bearbeiten von als Hohlkörper ausgeformten Werkstücken aus hochreinem Me­ tall in mehreren, innerhalb eines Reinraumes angeordneten Vakuumbearbeitungsstationen zum Zwecke ihrer Desorption, Beschichtung und Homogenisierung, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt jeweils drei Ultrahochva­ kuumbearbeitungsstationen, die mit Heizele­ menten und Metallzylindern ausgerüstet sind, mit jeweils einem Werkstück bestückt und im Ultrahochvakuum getrocknet und auf ihrer Au­ ßenseite beschichtet werden und in einem zweiten Verfahrensschritt nach ihrer Abküh­ lung auf etwa Raumtemperatur den Ultrahoch­ vakuumbearbeitungsstationen entnommen und gemeinsam in die Kammer einer Hochvakuumbe­ arbeitungsstation eingebracht werden, wo sie in einem weitere Verfahrensschritt erhitzt und mit einer weiteren Beschichtung versehen und in einem vierten Verfahrensschritt nach ihrem Abkühlen aus der Hochvakuumkammer aus­ geschleust und ihrer weiteren Verwendung in­ nerhalb der Reinraumzelle zugeführt werden.