Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenstrahlanlage zur schichtweisen Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils, eine Strahlausrichteinrichtung zur Ausrichtung eines Elektronenstrahls sowie auf ein Verfahren zur schichtweisen Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils.The present invention relates to an electron beam apparatus for producing or processing a component in layers, to a beam alignment device for aligning an electron beam, and to a method for producing or processing a component in layers.
Hintergrundbackground
Im Stand der Technik der Materialbearbeitung mit Elektronenstrahlen ist es bekannt, den Strahl eines Elektronenstrahlgenerators über ein zu sinterndes Material (hierin auch Baumaterial oder Sintermaterial) zur Materialbearbeitung in einem vorbestimmten Muster zu führen. Üblicherweise wird dazu der Elektronenstrahl mit einer Ablenkspule abgelenkt, um das zugrundeliegende Muster abzutasten.In the prior art of material processing with electron beams, it is known to guide the beam of an electron beam generator via a material to be sintered (herein also building material or sintered material) for material processing in a predetermined pattern. Usually, the electron beam is deflected with a deflection coil to scan the underlying pattern.
Eine Ansteuerungstechnik zur schnellen Steuerung der Ablenkung eines Elektronenstrahls ist z. B. aus EP 1 885 059 A2 bekannt.A control technique for rapid control of the deflection of an electron beam is z. B. off EP 1 885 059 A2 known.
Ferner ist z. B. aus DE 10 2008 009 410 A1 ein Verfahren zum Justieren eine Elektronenstrahls, insbesondere des Fokuspunkts des Elektronenstrahls bekannt.Furthermore, z. B. off DE 10 2008 009 410 A1 a method for adjusting an electron beam, in particular the focal point of the electron beam is known.
Zusammenfassung der OffenbarungSummary of the Revelation
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technik zur Führung eines Elektronenstrahls eines Elektronenstrahlgenerators anzugeben, die insbesondere den Einsatz von Elektronenstrahlanlage bei der schichtweisen Herstellung oder Bearbeitung von großen Bauteilen erlaubt.It is an object of the present invention to provide a technique for guiding an electron beam of an electron beam generator, which in particular allows the use of electron beam equipment in the layered production or processing of large components.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Elektronenstrahlanlage nach Anspruch 1, einer Strahlausrichteinrichtung zur Ausrichtung eines Elektronenstrahls nach Anspruch 16 und einem Verfahren zur schichtweisen Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils nach Anspruch 19. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by an electron beam system according to claim 1, a beam alignment device for aligning an electron beam according to claim 16 and a method for the layered production or processing of a component according to claim 19. Further developments are specified in the subclaims.
Die hierin offenbarten Konzepte zur Führung eines Elektronenstrahls basieren auf einer Strahlausrichtung nach der Strahlablenkung beispielsweise mit einer Strahlausrichteinrichtung, die unterschiedlich stark abgelenkt einfallende Elektronenstrahlen ausrichtet. Das dazu benötigte elektrische, magnetische und/oder elektromagnetische Feld kann dabei der Strahlausrichteinrichtung eingeprägt sein oder von dieser in Abhängigkeit von der Ablenkung erzeugt werden.The concepts for guiding an electron beam disclosed herein are based on beam alignment after beam deflection, for example, with beam alignment means which deflect differently deflected incident electron beams. The electric, magnetic and / or electromagnetic field required for this purpose can be impressed on the beam alignment device or generated by it as a function of the deflection.
Mit dem hierin offenbarten Konzepten zur Führung eines Elektronenstrahls kann ein weitgehend positionsunabhängiges Wechselwirkungsverhalten des Elektronenstrahls mit dem Baumaterial und/oder dem Bauteil bewirkt werden. Die dabei vorgenommene Elektronenstrahlausrichtung bewirkt eine über die Baumaterialschichtoberfläche einstellbare, beispielsweise einheitlich ausgebildete, Elektronenstrahlwechselwirkungszone. Z. B. kann die Elektronenstrahlwechselwirkungszone eine einheitliche Orientierung und Tiefe über die Baumaterialschichtoberfläche aufweisen. Somit kann z. B. eine räumliche Homogenität der eingetragenen Temperatur erhöht werden, die z. B. insbesondere für von einander entfernte, z. B. weiter innen und weiter außen liegende, Arbeitspositionen zur vergleichbaren Materialbearbeitungsbedingungen führt. Ferner kann ein Temperaturprofil mit einer räumlichen, insbesondere lateralen, Genauigkeit erzeugt werden, die eine präzise Herstellung und Bearbeitung eines Bauteils erlaubt.With the concepts disclosed herein for guiding an electron beam, a largely position-independent interaction behavior of the electron beam with the building material and / or the component can be effected. The electron beam alignment thereby effected causes an electron beam interaction zone which can be adjusted via the layer of building material layer, for example uniformly formed. For example, the electron beam interaction zone may have a uniform orientation and depth across the building material layer surface. Thus, z. B. a spatial homogeneity of the recorded temperature can be increased, the z. B. in particular for remote from each other, z. B. further inside and further out, working positions leads to comparable material handling conditions. Furthermore, a temperature profile with a spatial, in particular lateral, accuracy can be generated, which allows precise production and processing of a component.
In einigen Ausführungsformen kann die Wechselwirkung in Abhängigkeit von der Position auf der Baumaterialschichtoberfläche unterschiedlich eingestellt oder einstellbar sein. Beispielsweise kann die Orientierung und Tiefe der Wechselwirkungszone innerhalb der Fläche anders sein als im Randbereich der Fläche.In some embodiments, the interaction may be set or adjustable differently depending on the position on the building material layer surface. For example, the orientation and depth of the interaction zone within the surface may be different than in the edge region of the surface.
In einigen Ausführungsformen weist eine Elektronenstrahlanlage zur schichtweisen Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils einen Elektronenstrahlgenerator zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, eine Strahlablenkeinrichtung zur Ablenkung des von dem Elektronenstrahlgenerator erzeugten Elektronenstrahls an Arbeitspositionen auf einer Baumaterialschichtoberfläche und eine Strahlausrichteinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den von der Strahlablenkeinrichtung abgelenkten Elektronenstrahl derart auf die Baumaterialschichtoberfläche zu richten, dass ein Einfallswinkel des ausgerichteten Elektronenstrahls auf die Baumaterialschichtoberfläche an den Arbeitspositionen in einem vorbestimmten Einfallswinkelbereich liegt, auf.In some embodiments, an electron beam apparatus for layering or machining a component comprises an electron beam generator for generating an electron beam, a beam deflector for deflecting the electron beam generated by the electron beam generator at working positions on a building material layer surface, and a beam aligning means adapted to direct the electron beam deflected by the beam deflector to be directed toward the building material layer surface such that an angle of incidence of the aligned electron beam on the building material layer surface at the working positions is within a predetermined incident angle range.
In einigen Ausführungsformen weist eine Strahlausrichteinrichtung zur Ausrichtung eines Elektronenstrahls auf Arbeitspositionen auf einer Baumaterialschichtoberfläche, die in einer Elektronenstrahlanlage bereitgestellt wird, eine Einrichtung zum elektrischen und/oder magnetischen und/oder elektromagnetischen Wechselwirken mit dem Elektronenstrahl auf, die dazu ausgebildet ist, den Elektronenstrahl für verschiedene Eintrittsrichtungen in die Strahlausrichteinheit derart auf die Baumaterialschichtoberfläche zu richten, dass ein Einfallswinkel auf die Baumaterialschichtoberfläche für die Arbeitspositionen in einem vorbestimmten Einfallswinkelbereich liegt.In some embodiments, beam aligning means for aligning an electron beam with working positions on a building material layer surface provided in an electron beam apparatus comprises means for electrically and / or magnetically and / or electromagnetically interacting with the electron beam that is configured to differentiate the electron beam To direct entry directions in the beam alignment unit on the building material layer surface such that an angle of incidence on the building material layer surface for the working positions in a predetermined incident angle range.
In einigen Ausführungsformen weist eine Elektronenstrahlanlage zur schichtweisen Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils einen Elektronenstrahlgenerator, z. B. eine Elektronenstrahlkanone, zur Erzeugung eines Elektronenstrahls sowie eine Bauteileinrichtung, die zur Herstellung oder Bearbeitung des Bauteils eine Baumaterialschichtoberfläche definiert, auf. Eine Strahlführungseinrichtung der Elektronenstrahlanlage ist zur Führung des von dem Elektronenstrahlgenerator erzeugten Elektronenstrahls an Arbeitspositionen auf der Baumaterialschichtoberfläche vorgesehen. Sie ist dazu ausgebildet, den Elektronenstrahl gemäß einem Strahlführungsmusters über die Baumaterialschichtoberfläche zu führen. Dabei weist die Strahlführungseinrichtung eine Strahlablenkeinrichtung zur Ablenkung des von dem Elektronenstrahlgenerator erzeugten Elektronenstrahls auf. Ferner weist die Strahlführungseinrichtung eine Strahlausrichteinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, den von der Strahlablenkeinrichtung abgelenkten Elektronenstrahl in eine Einfallsrichtung auf die Baumaterialschichtoberfläche auszurichten, so dass ein Einfallswinkel des von der Strahlausrichteinrichtung ausgerichteten Elektronenstrahls auf die Baumaterialschichtoberfläche für die Arbeitspositionen auf der Baumaterialschichtoberfläche in einem vorbestimmten Einfallswinkelbereich liegt. In some embodiments, an electron beam apparatus for layering or processing a component comprises an electron beam generator, e.g. B. an electron beam gun, for generating an electron beam and a component device which defines a building material layer surface for the manufacture or processing of the component. A beam guiding device of the electron beam system is provided for guiding the electron beam generated by the electron beam generator at working positions on the building material layer surface. It is designed to guide the electron beam over the building material layer surface in accordance with a beam guidance pattern. In this case, the beam guiding device has a beam deflection device for deflecting the electron beam generated by the electron beam generator. Further, the beam guiding means comprises beam aligning means arranged to direct the electron beam deflected by the beam deflecting means to the building material layer surface in an incident direction such that an incident angle of the electron beam aligned by the beam aligning means on the building material layer surface for the working positions on the building material layer surface is in a predetermined incident angle range lies.
In einigen Ausführungsformen weist eine Strahlausrichteinrichtung zur Ausrichtung eines Elektronenstrahls auf Arbeitspositionen auf einer Baumaterialschichtoberfläche, die in einer Elektronenstrahlanlage bereitgestellt wird, einer Einrichtung zum elektrischen und/oder magnetischen und/oder elektromagnetischen Wechselwirken mit dem Elektronenstrahl auf, die dazu ausgebildet ist, den Elektronenstrahl für verschiedene Eintrittsrichtungen in die Strahlausrichteinheit derart auf die Baumaterialschichtoberfläche zu richten, dass ein Einfallswinkel auf die Baumaterialschichtoberfläche für die Arbeitspositionen in einem vorbestimmten Einfallswinkelbereich liegt.In some embodiments, beam aligning means for aligning an electron beam with working positions on a building material layer surface provided in an electron beam system comprises means for electrically and / or magnetically and / or electromagnetically interacting with the electron beam that is configured to differentiate the electron beam To direct entry directions in the beam alignment unit on the building material layer surface such that an angle of incidence on the building material layer surface for the working positions in a predetermined incident angle range.
In einigen Ausführungsformen weist ein Verfahren zur schichtweisen Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils folgende Schritte auf: ein schichtweises Auftragen von einem Baumaterial zur Erzeugung einer Baumaterialschichtoberfläche, ein Erzeugen eines Elektronenstrahls, ein Ablenken des Elektronenstrahls durch Einstellen eines ersten einstellbaren elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Feldes zur Bestrahlung einer Abfolge von Arbeitspositionen auf der Baumaterialschichtoberfläche, und ein Ausrichten des abgelenkten Elektronenstrahls mit einem zweiten voreingestellten elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Feldes derart, dass die Einfallswinkel des ausgerichteten Elektronenstrahls auf die Baumaterialschichtoberfläche an den Arbeitspositionen in einem vorbestimmten Winkelbereich liegen.In some embodiments, a method of layering or machining a device includes the steps of applying a build material to a building material layer surface in layers, generating an electron beam, deflecting the electron beam by setting a first adjustable electric, magnetic or electromagnetic field for irradiation a sequence of working positions on the building material layer surface, and aligning the deflected electron beam with a second preset electric, magnetic or electromagnetic field such that the angles of incidence of the oriented electron beam on the building material layer surface at the working positions are in a predetermined angular range.
Insbesondere können hierin offenbarte Elektronenstrahlanlagen und Verfahren es erlauben, große Bauteile, bei denen z. B. für die Randbereiche starke Ablenkungen des Elektronenstrahls durch die Strahlablenkeinrichtung benötigt werden, mittels Elektronenstrahlsintern herzustellen bzw. zu bearbeiten.In particular, electron beam systems and methods disclosed herein may allow large components, e.g. B. strong deflections of the electron beam are required by the beam deflector for the edge regions to produce by electron beam sintering or edit.
Insbesondere die Verwendung schneller Strahlablenkungsvorrichtungen, wie sie z. B. aus der zuvor genannten EP 1 885 059 A2 bekannt sind, kann ein gleichzeitiges Sintern weit voneinander entfernt liegender Bereiche ermöglichen. Dies kann insbesondere in Kombination mit den hierin offenbarten Elektronenstrahlführungen somit das Elektronenstrahlsintern von Großbauteilen quasi zeitgleich an mehreren Bereichen oder die parallele Herstellung von mehreren Bauteilen augrund des großen zur Verfügung stehenden Bearbeitungsbereichs ermöglichen.In particular, the use of fast beam deflection devices, as z. B. from the aforementioned EP 1 885 059 A2 may allow simultaneous sintering of widely spaced areas. This can thus, in particular in combination with the electron beam guides disclosed herein, enable the electron beam sintering of large components virtually simultaneously at several areas or the parallel production of several components on account of the large available processing area.
Großbauteile sind z. B. Komponenten von Turbinen (z. B. Turbinenschaufeln), Strahltriebwerken und Verbrennungsmotoren. Insbesondere bieten sich Bauteile an, die eine integrierte Kühlung benötigen. Vor allem bei großen Bauteilen können sich die Kostenvorteile des Sinterns gegenüber dem kompletten Zerspanen aus einem Material (z. B. Wolfram) zur Geltung kommen.Large components are z. As components of turbines (eg turbine blades), jet engines and internal combustion engines. In particular, offer components that require integrated cooling. Especially in the case of large components, the cost advantages of sintering compared to the complete machining of a material (eg tungsten) can come into their own.
Ein Beispiel für die Herstellung von mehreren Bauteilen ist die quasi zeitgleiche Herstellung von mehreren Zahnkronen in einem Sintervorgang, was zu einer Produktivitätssteigerung führen kann. Ferner kann auch bei kleinen Bauteilen unter Verwendung der hierein offenbarten Elektronenstrahlführung eine Erhöhung der Bauteilqualität und insbesondere eine Verbesserung der erzeugten Materialhomogenität und Bauteilstabilität bewirkt werden.An example for the production of several components is the quasi-simultaneous production of several dental crowns in a sintering process, which can lead to an increase in productivity. Furthermore, an increase in component quality and, in particular, an improvement in the material homogeneity and component stability produced can also be achieved with small components using the disclosed electron beam guidance.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:Further features and expediencies will become apparent from the description of embodiments with reference to FIGS. From the figures show:
1 eine schematische Darstellung einer Elektronenstrahlanlage mit einer Strahlführungseinrichtung; 1 a schematic representation of an electron beam system with a beam guiding device;
2 ein Flussdiagramm, das den Betrieb einer Elektronenstrahlanlage gemäß 1 verdeutlicht; 2 a flow chart illustrating the operation of an electron beam according to 1 clear;
3A eine auf einem hufeisenförmigen Magneten basierende schematisch dargestellte lineare Strahlausrichteinrichtung; 3A a horseshoe-shaped magnet-based schematically illustrated linear beam alignment device;
3B eine auf einer Magnetspule und einem hufeisenförmigen Magnetkern basierende schematisch dargestellte lineare Strahlausrichteinrichtung; 3B a linear beam aligning means schematically based on a magnetic coil and a horseshoe-shaped magnetic core;
4 eine schematisch dargestellte Aufsicht auf ein Pulverbett mit einer Strahlsausrichteinrichtung gemäß 3B; 4 a schematically illustrated plan view of a powder bed with a beam alignment device according to 3B ;
5 ein Ort-Zeit-Diagramm zur Verdeutlichung einer beispielhaften Abhängigkeit der Bestrahlungsdauer T vom radialen Abstand r; 5 a time-place diagram for illustrating an exemplary dependence of the irradiation time T of the radial distance r;
6 eine schematisch dargestellte Anordnung mit vier linearen Strahlausrichteinrichtungen; 6 a schematically illustrated arrangement with four linear Strahlausrichteinrichtungen;
7A eine schematisch dargestellte Seitenansicht einer Elektronenstrahlanlage mit einer linearen Strahlausrichteinrichtung, die den Elektronenstrahl mittels eines elektrischen Feldes ausrichtet; 7A a schematic side view of an electron beam system with a linear Strahlausrichteinrichtung which aligns the electron beam by means of an electric field;
7B eine schematisch dargestellte Aufsicht der Strahlausrichteinrichtung der Elektronenstrahlanlage gemäß 7A; 7B a schematically illustrated plan view of the beam alignment of the electron beam system according to 7A ;
8 eine schematisch dargestellte Aufsicht auf eine ein elektrisches Quadrupol-Feld ausbildende Strahlausrichteinrichtung zur Ausrichtung eines Elektronenstrahls; 8th a schematic plan view of an electric quadrupole field forming beam alignment device for aligning an electron beam;
9A eine schematisch dargestellte Querschnittsansicht einer Elektronenstrahlanlage mit einer auf einem ringförmig ausgebildeten Magneten basierenden Strahlausrichteinrichtung zur zweidimensionalen Ausrichtung eines Elektronenstrahls mittels eines magnetischen Feldes; 9A a schematically illustrated cross-sectional view of an electron beam system with a trained on a ring-shaped magnet beam alignment device for two-dimensional alignment of an electron beam by means of a magnetic field;
9B eine schematisch dargestellte Querschnittsansicht einer auf einer Zylinderspule basierenden Strahlausrichteinrichtung zur zweidimensionalen Ausrichtung eines Elektronenstrahls mittels eines magnetischen Feldes; 9B a schematically illustrated cross-sectional view of a cylinder-based beam alignment device for two-dimensional alignment of an electron beam by means of a magnetic field;
9C eine schematisch dargestellte Querschnittsansicht einer auf zwei Zylinderspulen basierenden Strahlausrichteinrichtung zur zweidimensionalen Ausrichtung eines Elektronenstrahls mittels eines magnetischen Feldes; 9C a schematically illustrated cross-sectional view of a two-coil based Strahlausrichteinrichtung for two-dimensional alignment of an electron beam by means of a magnetic field;
10 eine schematisch dargestellte Querschnittsansicht einer Elektronenstrahlanlage mit einer Strahlausrichteinrichtung zur zweidimensionalen Ausrichtung eines Elektronenstrahls mittels eines elektrischen Feldes; 10 a schematically illustrated cross-sectional view of an electron beam system with a beam alignment device for two-dimensional alignment of an electron beam by means of an electric field;
11 eine schematisch dargestellte Querschnittsansicht einer Elektronenstrahlanlage mit einer auf einem Sektormagneten basierenden Strahlausrichteinrichtung; 11 a schematically illustrated cross-sectional view of an electron beam system with a sector magnet based Strahlausrichteinrichtung;
12 eine schematisch perspektivische Ansicht eines hufeisenförmigen Magneten mit variierendem Querschnitt der Magnetpole; 12 a schematic perspective view of a horseshoe-shaped magnet with varying cross section of the magnetic poles;
13 eine schematische Aufsicht eines hufeisenförmigen Magneten mit geschwungen geformten Magnetpolen; und 13 a schematic plan view of a horseshoe-shaped magnet with curved shaped magnetic poles; and
14 eine schematische Darstellung einer Elektronenstrahlanlage mit einer Strahlführungseinrichtung mit einer ersten schnellen Strahlablenkeinrichtung und einer zweiten bewegbaren, als Strahlausrichteinheit wirkenden schnellen Strahlablenkeinrichtung. 14 a schematic representation of an electron beam system with a beam guiding device with a first fast beam deflection device and a second movable, acting as a beam alignment unit fast beam deflection.
Detaillierte BeschreibungDetailed description
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektronenstrahlanlage 1 zur schichtweisen Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils 3. Die Elektronenstrahlanlage 1 weist einen Elektronenstrahlgenerator 10 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls und eine Strahlführungseinrichtung 20 zur Führung des von dem Elektronenstrahlgenerator 10 erzeugten Elektronenstrahls zu einer Bauteileinrichtung 30 der Elektronenstrahlanlage 1, in der das Bauteil 3 hergestellt bzw. bearbeitet wird, auf. 1 shows a schematic representation of an electron beam system 1 for the layered production or processing of a component 3 , The electron beam system 1 has an electron beam generator 10 for generating an electron beam and a beam guiding device 20 for guiding the of the electron beam generator 10 generated electron beam to a component device 30 the electron beam system 1 in which the component 3 is manufactured or processed on.
Die Bauteileinrichtung 30 definiert eine Baumaterialschichtoberfläche 32. Die Baumaterialschichtoberfläche 32 wird z. B. durch gleichmäßiges Verteilen von Baumaterial 33 mittels einer Baumaterialzuführungseinrichtung 34 als eine ebene Baumaterialoberfläche ausgebildet. Beispiele für Baumaterial 33 sind Pulvermaterialien, die zum Sintern mit einem Elektronenstrahl geeignet sind, z. B. als Pulver herstellbare Metalle und Legierungen (z. B. Titanlegierungen).The component device 30 defines a building material layer surface 32 , The building material layer surface 32 is z. B. by evenly distributing building material 33 by means of a building material supply device 34 formed as a flat building material surface. Examples of building material 33 are powder materials suitable for sintering with an electron beam, e.g. For example, metals and alloys that can be produced as powders (eg titanium alloys).
Die Strahlführungseinrichtung 20 ist dazu ausgebildet, den Elektronenstrahl zu Arbeitspositionen Pi auf der Baumaterialschichtoberfläche 32 zu führen. Beispielsweise wird während der Herstellung oder Bearbeitung des Bauteils 3 der Elektronenstrahl gemäß einem Strahlführungsmuster über die Baumaterialschichtoberfläche 32 geführt.The beam guiding device 20 is adapted to direct the electron beam to working positions Pi on the building material layer surface 32 respectively. For example, during manufacture or machining of the component 3 the electron beam according to a beam guidance pattern over the building material layer surface 32 guided.
Dazu weist die Strahlführungseinrichtung 20 eine Strahlablenkeinrichtung 24 zur Ablenkung des von dem Elektronenstrahlgenerator 10 erzeugten Elektronenstrahls (Elektronenstrahlabschnitt ei) auf. Ein Beispiel für eine Strahlablenkeinrichtung, die eine schnellen Steuerung der Ablenkung eines Elektronenstrahls erlaubt, ist aus der eingangs genannten EP 1 885 059 A2 bekannt.For this purpose, the beam guiding device 20 a beam deflector 24 for deflecting the from the electron beam generator 10 generated electron beam (electron beam section ei) on. An example of a beam deflection device that allows a fast control of the deflection of an electron beam is from the aforementioned EP 1 885 059 A2 known.
Die Strahlführungseinrichtung 20 weist ferner eine Strahlausrichteinrichtung 26 auf. Die Strahlausrichteinrichtung 26 ist dazu ausgebildet, den von der Strahlablenkeinrichtung 24 abgelenkten Elektronenstrahl (Elektronenstrahlabschnitt eii) in eine Einfallsrichtung auf die Baumaterialschichtoberfläche 32 auszurichten. Dabei erfolgt die Ausrichtung derart, dass ein Einfallswinkel α des von der Strahlausrichteinrichtung 26 ausgerichteten Elektronenstrahls (Elektronenstrahlabschnitt eiii) auf die Baumaterialschichtoberfläche 32 für die verschiedenen Arbeitspositionen Pi auf der Baumaterialschichtoberfläche 32 in einem vorbestimmten Einfallswinkelbereich liegt.The beam guiding device 20 further comprises a beam alignment device 26 on. The beam alignment device 26 is adapted to that of the beam deflector 24 deflected Electron beam (electron beam section eii) in a direction of incidence on the building material layer surface 32 align. The orientation is such that an angle of incidence α of the beam alignment device 26 directed electron beam (electron beam section eiii) on the building material layer surface 32 for the different working positions Pi on the building material layer surface 32 is in a predetermined angle of incidence range.
In den Figuren ist der Einfallswinkel α der Winkel zwischen dem Elektronenstrahl im Elektronenstrahlabschnitt eiii und der Baumaterialschichtoberfläche 32.In the figures, the angle of incidence α is the angle between the electron beam in the electron beam section eiii and the building material layer surface 32 ,
Der auf die Baumaterialschichtoberfläche 32 einfallende Elektronenstrahl (Elektronenstrahlabschnitt eiii) versintert das Baumaterial 33 innerhalb einer Wechselwirkungszone 36 und erzeugt oder bearbeitet dabei das Bauteil 3. Aufgrund des einheitlichen Einfallswinkels α für die Arbeitspositionen Pi wechselwirkt der Elektronenstrahl in einheitlich ausgebildeten Wechselwirkungszonen 36 mit dem Baumaterial an den Arbeitspositionen Pi. Somit können gewünschte, beispielsweise einheitliche, Temperaturverteilungen und Formgebungen der Wechselwirkungszonen 36 unabhängig von der Lage einer spezifischen Position Pi auf der Baumaterialschichtoberfläche 32 ausgebildet werden. Bevorzugt wird der Elektronenstrahl im Elektronenstrahlabschnitt eiii) unter einem im Wesentlichen senkrechten Einfallswinkel auf die Baumaterialschichtoberfläche 32 treffen. Beispielsweise liegt der Einfallswinkel α in einem Bereich von 90° ± 10°, insbesondere von 90° ± 4° bzw. 90° ± 3°.The on the building material layer surface 32 incident electron beam (electron beam section eiii) sinters the building material 33 within an interaction zone 36 and generates or processes the component 3 , Due to the uniform angle of incidence α for the working positions Pi, the electron beam interacts in uniformly formed interaction zones 36 with the building material at the working positions Pi. Thus, desired, for example uniform, temperature distributions and shapes of the interaction zones 36 regardless of the location of a specific position Pi on the building material layer surface 32 be formed. Preferably, the electron beam in the electron beam section eiii) is at a substantially perpendicular angle of incidence on the building material layer surface 32 to meet. For example, the angle of incidence α lies in a range of 90 ° ± 10 °, in particular of 90 ° ± 4 ° or 90 ° ± 3 °.
Nach der Bestrahlung der entsprechend mit der Baumaterialzuführungseinrichtung 34 vorbereiteten Baumaterialschichtoberfläche 32 mit dem Elektronenstrahl gemäß einem Strahlführungsmuster kann eine Ablenkung des gesinterten Bauteils 3 und des nicht versinterten Baumaterials 33 mittels einer vertikalen Positioniereinrichtung 40 erfolgen. Anschließend wird mit der Baumaterialzuführungseinrichtung 34 erneut Baumaterial 33 zugeführt, um eine neue Baumaterialschicht zur Ausbildung einer neuen Baumaterialschichtoberfläche 32 bereitzustellen.After the irradiation of the corresponding with the building material supply device 34 prepared building material layer surface 32 With the electron beam according to a beam guidance pattern, a deflection of the sintered component 3 and the non-sintered building material 33 by means of a vertical positioning device 40 respectively. Subsequently, with the building material supply device 34 again building material 33 supplied to a new building material layer to form a new building material layer surface 32 provide.
Zusätzlich zur vertikalen Positionierung kann die Bauteileinrichtung 30 mittels einer lateralen Positioniereinrichtung 42 beispielsweise in der Ebene der Baumaterialschichtoberfläche 32 seitlich verschoben werden oder innerhalb der durch die Baumaterialschichtoberfläche 32 definierten Ebene gedreht werden.In addition to the vertical positioning, the component device 30 by means of a lateral positioning device 42 for example in the plane of the building material layer surface 32 be moved laterally or within the through the building material layer surface 32 rotated defined level.
Die Bewegungsrichtungen bei der vertikale Positionierung und der laterale Positionierung sind in 1 schematisch durch die Pfeile 44 und 45 angedeutet.The directions of movement in the vertical positioning and the lateral positioning are in 1 schematically by the arrows 44 and 45 indicated.
Der Bereich der Arbeitspositionen Pi, zu denen der Elektronenstrahl (Elektronenstrahlabschnitt eiii) geführt werden kann, stellt einen von der Strahlführungseinrichtung 20 zur Verfügung gestellten Bearbeitungsbereich dar. Die Strahlführungseinrichtung 20 kann zum Bereitstellen eines eindimensionalen oder zweidimensionalen Bearbeitungsbereichs ausgebildet sein.The region of the working positions Pi, to which the electron beam (electron beam section eiii) can be guided, represents one of the beam guiding device 20 provided processing area. The beam guiding device 20 may be configured to provide a one-dimensional or two-dimensional processing area.
Ein eindimensionaler Bearbeitungsbereich bedingt eine eindimensionale Ablenkung des Elektronenstrahls, ein zweidimensionaler Bearbeitungsbereich bedingt eine zweidimensionale Ablenkung des Elektronenstrahls mit entsprechend ausgebildeten Strahlablenkeinrichtungen. In den 3A bis 14 werden beispielhafte Ausführungsformen von Strahlausrichteinrichtungen für Strahlablenkeinrichtungen, die eine ein- oder zweidimensionale Ablenkung ermöglichen, beschrieben.A one-dimensional processing area requires a one-dimensional deflection of the electron beam, a two-dimensional processing area requires a two-dimensional deflection of the electron beam with appropriately designed beam deflection devices. In the 3A to 14 For example, exemplary embodiments of beam director jet deflectors that enable one or two-dimensional deflection will be described.
Bei beispielsweise einer eindimensionalen Ablenkung in der Strahlablenkeinrichtung 24 kann die Strahlausrichteinrichtung 26 dazu ausgebildet sein, eine lineare Bearbeitungszone mit beispielsweise einem im Wesentlichen senkrechten Einfallswinkel auf die Baumaterialschichtoberfläche bereitzustellen.For example, in a one-dimensional deflection in the beam deflector 24 can the beam alignment device 26 be configured to provide a linear processing zone with, for example, a substantially perpendicular angle of incidence on the building material layer surface.
Erlaubt die Strahlablenkeinrichtung 24 eine Ablenkung des Elektronenstrahls (Elektronenstrahlabschnitt ei) in zwei z. B. orthogonalen Richtungen, kann die Strahlausrichteinrichtung 26 dazu ausgebildet sein, beispielsweise zwei sich kreuzende lineare Bearbeitungszonen mit einheitlichem Einfallswinkel des Elektronenstrahls bereitzustellen.Allows the beam deflector 24 a deflection of the electron beam (electron beam section ei) in two z. B. orthogonal directions, the Strahlausrichteinrichtung 26 be designed to provide, for example, two intersecting linear processing zones with a uniform angle of incidence of the electron beam.
Erlaubt die Strahlablenkeinrichtung 24 die Ablenkung des Elektronenstrahls (Elektronenstrahlabschnitt ei) auf im Wesentlichen beliebige Punkte einer Fläche, beispielsweise einer Kreisfläche, einer halbkreisförmigen Fläche oder einer Fläche eines Winkelausschnitts eines Kreises, kann die Strahlausrichteinrichtung 26 dazu ausgebildet sein, in einem ebenso ausgeformten Bearbeitungsbereich einen einheitlichen Einfallswinkel des Elektronenstrahls (Elektronenstrahlabschnitt eiii) auf die Baumaterialschichtoberfläche 32 bereitzustellen.Allows the beam deflector 24 the deflection of the electron beam (electron beam portion ei) on substantially any points of a surface, such as a circular surface, a semicircular surface or a surface of an angular section of a circle, the Strahlausrichteinrichtung 26 be designed to in a similarly shaped processing area, a uniform angle of incidence of the electron beam (electron beam section eiii) on the building material layer surface 32 provide.
Ferner kann die Elektronenstrahlanlage 1 eine Steuerungseinrichtung 50 aufweisen. Die Steuerungseinrichtung 50 kann beispielsweise einen Speicher zur Speicherung eines digitalen Strahlführungsmusters aufweisen. Das digitale Strahlführungsmuster definiert beispielsweise eine Abfolge von zu bestrahlenden Arbeitspositionen Pi, auf die der Elektronenstrahl (Elektronenstrahlabschnitt eiii) auf der Baumaterialschichtoberfläche 32 jeweils für eine bestimmte Zeitdauer gelenkt werden soll. Das digitale Strahlführungsmuster kann dabei beispielsweise schichtweise auf die Struktur des zu erzeugenden oder zu bearbeitenden Bauteils 3 angepasst sein.Furthermore, the electron beam system 1 a control device 50 exhibit. The control device 50 For example, it may include a memory for storing a digital beam-guiding pattern. For example, the digital beam guiding pattern defines a sequence of working positions Pi to be irradiated onto which the electron beam (electron beam portion eiii) on the building material layer surface 32 each should be directed for a certain period of time. The digital beam guidance pattern can, for example, in layers on the structure of the component to be produced or machined 3 be adjusted.
Die Steuerungseinrichtung 50 weist ferner eine Steuerschaltung auf. Die Steuerschaltung ist zur Ansteuerung der Strahlablenkeinrichtung 24 zur Ablenkung des Elektronenstrahls gemäß dem Strahlführungsmuster ausgebildet, wobei für die Strahlführung die Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit der Strahlausrichteinrichtung 26 berücksichtig wird. The control device 50 also has a control circuit. The control circuit is for controlling the beam deflection device 24 designed for deflecting the electron beam in accordance with the beam guidance pattern, wherein for the beam guidance, the interaction of the electron beam with the beam alignment device 26 is taken into account.
Ferner kann die Elektronenstrahlanlage 1 eine Strahlfokussiereinrichtung 22 aufweisen. Die Strahlfokussiereinrichtung 22 kann beispielsweise eine schnelle Fokuslinse aufweisen. Der von dem Elektronenstrahlgenerator 10 austretenden Elektronenstrahl (Elektronenstrahlabschnitt ei) wird üblicherweise durch gewisse Strahlparameter wie z. B. Elektronenstrahlenergie, Elektronenstrahldivergenz, Elektronenstrahlleistung, Elektronenstrahldichte, Elektronenstrahldurchmesser, etc. gekennzeichnet. Die Strahlfokussiereinrichtung 22 beeinflusst den Elektronenstrahl insbesondere in seiner Divergenz. Beispielsweise kann sie einen Fokuspunkt des Elektronenstrahls in einem vorgegebenen Abstand einstellen. In einer Ausführungsform kann der Fokus des Elektronenstahls im Fall ohne Ablenkung (z. B. Elektronenstrahl e0 in 1) mittels der Strahlablenkeinrichtung 24 nach dem Durchtritt durch die Strahlführungseinrichtung 20 auf der Baumaterialschichtoberfläche 32 in einer Position P0 der Positionen Pi liegen.Furthermore, the electron beam system 1 a beam focusing device 22 exhibit. The beam focusing device 22 may for example have a fast focus lens. That of the electron beam generator 10 emerging electron beam (electron beam section ei) is usually characterized by certain beam parameters such. As electron beam energy, electron beam divergence, electron beam power, electron beam density, electron beam diameter, etc. characterized. The beam focusing device 22 affects the electron beam in particular in its divergence. For example, it can set a focal point of the electron beam at a predetermined distance. In one embodiment, the focus of the electron beam in the case without deflection (e.g., electron beam e0 in FIG 1 ) by means of the beam deflector 24 after passing through the beam guiding device 20 on the building material layer surface 32 lie in a position P0 of the positions Pi.
Weitere Korrekturen von Fokuseigenschaften können ferner beispielsweise mittels eines oder mehreren in dem Elektronenstrahlgenerator 10 angeordneten Stigmatoren durchgeführt werden.Further corrections of focus characteristics may also be made, for example, by means of one or more in the electron beam generator 10 arranged stigmators are performed.
Allgemein wird eine Ablenkung des Elektronenstrahls die Länge des Elektronenstrahlweges bis zur Baumaterialschichtoberfläche 32 verändern. In der Ausführungsform in 1 bewirkt ein Ablenkung des Elektronenstrahls (Elektronenstrahlwege e1, e2, e3, e4) mit der Ablenkeinrichtung eine Zuführung des Elektronenstrahls auf Arbeitspositionen Pi, die weiter weg vom Strahlgenerator 10 liegen als die Position PO des nicht abgelenkten Elektronenstrahls (Elektronenstrahlweg e0 in 1). Ist es gewünscht, den Elektronenstrahlfokus auch für diese Arbeitspositionen Pi auf die Baumaterialschichtoberfläche 32 zu legen, kann mithilfe der schnellen Fokuslinse der Strahlfokussiereinrichtung 22 die Fokusposition nachgeführt und an die vorgenommene Ablenkung, d. h. Arbeitsposition Pi angepasst werden. Dabei wird in der Ausführungsform gemäß 1 beispielsweise bei größerer Ablenkung und demzufolge längerem Elektronenstrahlweg der Elektronenstrahl leicht defokussiert, um den Fokus entlang des Ausbreitungswegs des Elektronenstrahls nach hinten auf die Baumaterialschichtoberfläche 32 zu verschieben. Auch können Fokuspositionen ober- oder unterhalb der Baumaterialschichtoberfläche 32 eingestellt werden.Generally, a deflection of the electron beam becomes the length of the electron beam path to the building material layer surface 32 change. In the embodiment in FIG 1 Distraction of the electron beam (electron beam paths e1, e2, e3, e4) with the deflector causes a supply of the electron beam to working positions Pi, further away from the beam generator 10 are located as the position PO of the undeflected electron beam (electron beam path e0 in FIG 1 ). If it is desired, the electron beam focus also for these working positions Pi on the building material layer surface 32 can lay, using the fast focus lens of the beam focusing 22 tracked the focus position and adapted to the deflection made, ie working position Pi. It is in the embodiment according to 1 For example, with greater deflection and consequently longer electron beam path, the electron beam is slightly out of focus to focus back along the propagation path of the electron beam toward the building material layer surface 32 to move. Also, focus positions may be above or below the building material layer surface 32 be set.
Zusätzlich oder alternativ kann die Strahlausrichteinrichtung 26 ausgebildet werden, um eine z. B. an die Fokusabweichung aufgrund der Weglängenänderung angepasste fokussierende Wirkung auf den Elektronenstrahl zu haben.Additionally or alternatively, the beam alignment device 26 be formed to a z. B. to the focus deviation due to the path length change adapted focusing effect on the electron beam to have.
In alternativen Ausführungsformen kann die Strahlausrichteinrichtung für weniger abgelenkte Elektronenstrahlen eine zusätzlich fokussierende Wirkung aufweisen, so dass ebenfalls wieder unabhängig von den Arbeitspositionen Pi auf der Baumaterialschichtoberfläche 32 der Fokus auf der Baumaterialschichtoberfläche 32 zu liegen kommt.In alternative embodiments, the beam-aligning device for less deflected electron beams may have an additional focusing effect, so that again independent of the working positions Pi on the building material layer surface 32 the focus on the building material layer surface 32 to come to rest.
In anderen Ausführungsformen können unterschiedlich abgelenkte Elektronenstrahlen unterschiedlich lange Wege zur Baumaterialschichtoberfläche 32 aufweisen, so dass beispielsweise stärker abgelenkte Elektronenstrahlen mittels z. B. der schnellen Fokuslinse oder der Strahlausrichteinrichtung nachfokussiert werden können.In other embodiments, differently deflected electron beams may have different lengths of travel to the building material layer surface 32 have, so that, for example, more deflected electron beams by means of z. B. the fast focus lens or Strahlausrichteinrichtung can be refocused.
2 zeigt schematisch ein Flussdiagramm, das den Betrieb einer Elektronenstrahlanlage mit einer Strahlausrichteinrichtung, beispielsweise der Elektronenstrahlanlage 1 aus 1, verdeutlicht. Insbesondere kann die Steuerung des Elektronenstrahls mit der Steuerungseinrichtung 50 gemäß dem Flussdiagramm durchgeführt werden. 2 schematically shows a flowchart illustrating the operation of an electron beam system with a beam alignment device, such as the electron beam system 1 out 1 , clarifies. In particular, the control of the electron beam with the control device 50 be performed according to the flowchart.
Für eine schichtweise Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils mit einer Elektronenstrahlanlage wird ein Baumaterial, z. B. ein Sinterpulver, zur Ausbildung einer Bearbeitungsschicht verteilt (Schritt 100), wodurch eine Baumaterialschichtoberfläche erzeugt wird. Falls notwendig kann gleichzeitig oder zeitversetzt eine vertikale und laterale Positionierung der Baumaterialschichtoberfläche bezüglich eines Bestrahlungsbereichs der Strahlführungseinrichtung der Elektronenstrahlanlage durchgeführt werden (Schritt 110).For a layered production or processing of a component with an electron beam system, a building material, for. B. a sintered powder, distributed to form a processing layer (step 100 ), thereby producing a building material layer surface. If necessary, vertical or lateral positioning of the building material layer surface with respect to an irradiation area of the beam guiding device of the electron beam facility can be carried out simultaneously or with a time delay (step 110 ).
Daraufhin erfolgt die Bestrahlung des Baumaterials gemäß einem Strahlführungsmuster (Schritt 120). Die Bestrahlung umfasst dabei zum einen die Erzeugung eines Elektronenstrahls mit entsprechenden Parametern, z. B. Elektronenstrahlenergie, Elektronenstrahlleistung, Elektronenstrahldichte, Elektronenstrahldurchmesser, Elektronenstrahldivergenz, etc. (Schritt 122).Thereafter, the irradiation of the building material is carried out according to a beam guidance pattern (step 120 ). The irradiation comprises on the one hand the generation of an electron beam with corresponding parameters, eg. Electron beam energy, electron beam power, electron beam density, electron beam diameter, electron beam divergence, etc. (step 122 ).
Anschließend erfolgt ein Ablenken des erzeugten Elektronenstrahls, um die verschiedenen Arbeitspositionen auf der Schicht des Baumaterials gemäß dem Strahlführungsmuster quasi gleichzeitig zu bestrahlen (Schritt 124).Subsequently, the generated electron beam is deflected in order to virtually simultaneously irradiate the different working positions on the layer of the building material according to the beam guidance pattern (step 124 ).
Mittels einer Strahlausrichteinrichtung wird dann der jeweils abgelenkte Elektronenstrahl in seiner Einfallsrichtung auf die Baumaterialschichtoberfläche derart ausgerichtet, dass der Einfallswinkel des von der Strahlausrichteinrichtung ausgerichteten Elektronenstrahls auf die Baumaterialschichtoberfläche für die jeweiligen Arbeitspositionen auf der Baumaterialschichtoberfläche in einem vorbestimmten Einfallswinkelbereich liegt (Schritt 126).By means of a Strahlausrichteinrichtung then the deflected electron beam in its direction of incidence on the The construction material layer surface is oriented such that the angle of incidence of the beam aligned by the beam directing electron beam on the building material layer surface for the respective working positions on the building material layer surface in a predetermined incident angle range (step 126 ).
Ein derart auf die Baumaterialschichtoberfläche geführter Elektronenstrahl bewirkt dann ein Verschmelzen des Baumaterials gemäß dem Strahlführungsmuster (Schritt 130).An electron beam thus guided onto the building material layer surface then causes fusion of the building material according to the beam guiding pattern (step 130 ).
Die zuvor beschriebene Abfolge von Schritten 100 bis 130 kann iterativ für aufeinander folgende Schichten wiederholt werden, wobei die jeweils erneut mit Baumaterial ausgebildete Bearbeitungsschicht gemäß einem schichtspezifischen Bestrahlungsmuster bestrahlt wird, um das Bauteil zu erzeugen oder zu bearbeiten.The sequence of steps described above 100 to 130 can be repeated iteratively for successive layers, wherein the respective processing layer formed again with building material is irradiated according to a layer-specific irradiation pattern in order to produce or process the component.
Im Folgenden werden verschiedene Strahlausrichteinrichtungen beispielhaft beschrieben. Allgemein können Strahlausrichteinrichtungen elektrisch und/oder magnetisch und/oder elektromagnetisch mit dem Elektronenstrahl wechselwirken. Eine Strahlausrichteinrichtung ist derart ausgebildet, eine Ablenkung entgegen der Ablenkung des Elektronenstrahls, die von der Strahlablenkeinrichtung bewirkt wurde, zur Ausrichtung des Elektronenstrahls auf einen Einfallswinkel in dem vorbestimmten Einfallswinkelbereich hervorzurufen.In the following, various beam alignment devices will be described by way of example. In general, beam alignment devices can interact electrically and / or magnetically and / or electromagnetically with the electron beam. A beam aligner is configured to deflect in opposition to the deflection of the electron beam caused by the beam deflector to direct the electron beam to an angle of incidence in the predetermined angle of incidence range.
Ferner kann die elektrische und/oder magnetische und/oder elektromagnetische Wechselwirkung eine bereits angesprochene Nachfokussierung bzw. Defokussierung bewirken.Furthermore, the electrical and / or magnetic and / or electromagnetic interaction can bring about an already mentioned refocussing or defocusing.
Beispielsweise können die elektrischen und/oder magnetischen und/oder elektromagnetischen Felder einer Strahlausrichteinrichtung in Richtung der Ablenkrichtung durch die Strahlablenkeinrichtung in ihrer Feldstärke variieren. Alternativ oder zusätzlich kann die Ausdehnung des elektrischen und/oder magnetischen und/oder elektromagnetischen Feldes entlang des Weges des Elektronenstrahls für verschiedene Arbeitspositionen variieren.For example, the electric and / or magnetic and / or electromagnetic fields of a beam-alignment device in the direction of the deflection direction by the beam deflection device can vary in their field strength. Alternatively or additionally, the extent of the electrical and / or magnetic and / or electromagnetic field can vary along the path of the electron beam for different working positions.
Die 3A und 3B zeigen schematisch beispielhafte Ausführungsformen einer Strahlausrichteinrichtung für eine Strahlablenkeinrichtung, die eine eindimensionale Ablenkung des Elektronenstrahls ermöglicht. Derartige hinsichtlich einer eindimensionalen Ablenkung ausgelegte Strahlausrichteinrichtungen werden hierin auch als lineare Strahlausrichteinrichtungen bezeichnet.The 3A and 3B schematically show exemplary embodiments of a Strahlausrichtvorrichtung for a beam deflector, which allows a one-dimensional deflection of the electron beam. Such one-dimensional deflection beam alignment devices are also referred to herein as linear beam alignment devices.
3A zeigt eine lineare Strahlausrichteinrichtung 326A basierend auf einen hufeisenförmigen Magneten, bei dem der Abstand zwischen Polseiten 300 und 310 mit zunehmendem Abstand von einer Verbindungsbrücke 320 zunimmt, so dass die Magnetfeldstarke zwischen den Polseiten 300 und 310 bei Annäherung an die Verbindungsbrücke 320 zunimmt. Ein Beispiel für einen derartigen Magneten ist ein Permanentmagnet mit einer hufeisenförmigen Verlängerung. 3A shows a linear beam alignment device 326A based on a horseshoe-shaped magnet, where the distance between pole sides 300 and 310 with increasing distance from a connecting bridge 320 increases so that the magnetic field strength between the pole sides 300 and 310 when approaching the connecting bridge 320 increases. An example of such a magnet is a permanent magnet with a horseshoe-shaped extension.
3B zeigt eine lineare Strahlausrichteinrichtung 326B, bei der das Magnetfeld mittels einer Magnetspule 330 und einem hufeisenförmigen Magnetkern 340 erzeugt wird. Die Formgebung des Magnetkerns 340 entspricht dabei der Formgebung des in 3A dargestellten Magneten, so dass die Magnetfeldstärke zwischen Polseiten 350 und 360 des Magnetkerns 340 bei Annäherung an die Magnetspule 330 zunimmt. 3B shows a linear beam alignment device 326B in which the magnetic field by means of a magnetic coil 330 and a horseshoe-shaped magnetic core 340 is produced. The shape of the magnetic core 340 corresponds to the shape of the in 3A shown magnets, so that the magnetic field strength between pole sides 350 and 360 of the magnetic core 340 when approaching the solenoid 330 increases.
Die in den 3A und 3B gezeigte hufeisenförmige Formgebung des Magneten bzw. Magnetkerns ist rein schematisch. Für eine bestimmte Ausprägung des Magnetfeldes, d. h. dem Feldlinienverlauf und der Feldstärke, kann die Formgebung in der durch die Polseiten gebildeten Ebene modifiziert werden. Z. B. kann in einer geschwungenen Formgebung im Mittelbereich eine schnelle Annäherung (oder Entfernung) der Polseiten erfolgen, als es bei der gezeigten linearen Formgebung der Polseiten der Fall ist.The in the 3A and 3B shown horseshoe-shaped shaping of the magnet or magnetic core is purely schematic. For a certain extent of the magnetic field, ie the field line course and the field strength, the shaping can be modified in the plane formed by the pole sides. For example, in a curved shape in the middle region, a fast approach (or removal) of the pole sides can take place, as is the case with the shown linear shaping of the pole sides.
Ferner kann die Formgebung zusätzlich in der Querschnittsebene der Polseiten modifiziert werden, um einen speziellen fokussierenden/defokussierenden Einfluss auf den durchtretenden Elektronenstrahl auszuüben.Further, the shape may additionally be modified in the cross-sectional plane of the pole sides to exert a special focusing / defocusing influence on the passing electron beam.
4 verdeutlicht beispielhaft die Anordnung und die Funktionsweise einer linearen Ausrichteinrichtung am Beispiel der Ausrichteinrichtung gemäß 3B. In einer Aufsicht zeigt 4 die Anordnung der in 3B beschriebenen Magnetspule mit hufeisenförmigem Magnetkern bezüglich eines Pulverbetts 400 einer nicht weiter dargestellten Bauteileinrichtung einer Elektronenstrahlanlage. 4 exemplifies the arrangement and operation of a linear alignment device using the example of the alignment according to 3B , In a supervision shows 4 the arrangement of in 3B described magnet coil with horseshoe-shaped magnetic core with respect to a powder bed 400 a not shown component device of an electron beam system.
Das Pulverbett 400 ist beispielsweise kreisförmig ausgebildet und eine laterale Positioniereinrichtung erlaubt eine Rotation des Pulverbettes um einen Strahlnulldurchgang 410 eines beispielsweise im Wesentlichen nicht von der Ablenkeinrichtung abgelenkten Elektronenstrahls. Die Rotation ist in 4 durch den Doppelpfeil 415 angedeutet.The powder bed 400 For example, is formed circular and a lateral positioning allows rotation of the powder bed to a zero beam crossing 410 a, for example, substantially not deflected by the deflection electron beam. The rotation is in 4 through the double arrow 415 indicated.
Die Strahlablenkeinrichtung erlaubt es, den Elektronenstrahl in einer Richtung abzulenken. Der zugehörige Ablenkbereich erstreckt sich mittig zwischen den Magnetpolen 300, 310 des Magnetkerns, ausgehend vom Strahlnulldurchgang 410, d. h. vom Zentrum der Pulverbetts 400, radial nach außen. Die Magnetspule 330 und der Magnetkern sind als Ausrichteinrichtung ausgebildeten.The beam deflection device makes it possible to deflect the electron beam in one direction. The associated deflection region extends centrally between the magnetic poles 300 . 310 of the magnetic core, starting from the zero beam passage 410 ie from the center of the powder bed 400 , radially outward. The magnetic coil 330 and the magnetic core are formed as an alignment device.
Durch Bestromen der Magnetspule 330 bildet sich zwischen den Polseiten des Magnetkerns ein Magnetfeld B aus, das durch Pfeile 430 in 4 schematisch angedeutet ist. Die zunehmende Dichte der Pfeile mit zunehmendem Abstand vom Strahlnulldurchgang 410 verdeutlicht, dass ein stärker abgelenkter Elektronenstrahl einem stärkeren Magnetfeld ausgesetzt wird, so dass jeweils eine der Ablenkung entsprechende Ausrichtung des Elektronenstrahls auf eine Baumaterialschichtoberfläche auf dem Pulverbett 400 durch das Magnetfeld B bewirkt wird. Somit wird eine dem Ablenkbereich zugehörige lineare Bearbeitungszone 421 auf dem Pulverbett 400 erzeugt, in der der Einfallswinkel des Elektronenstrahls in einem vorbestimmten Winkelbereich liegt. By energizing the solenoid 330 A magnetic field B is formed between the pole sides of the magnetic core, indicated by arrows 430 in 4 is indicated schematically. The increasing density of the arrows with increasing distance from the beam zero crossing 410 illustrates that a more deflected electron beam is exposed to a stronger magnetic field, so that each one of the deflection corresponding alignment of the electron beam on a building material layer surface on the powder bed 400 caused by the magnetic field B. Thus, a deflection zone associated linear processing zone 421 on the powder bed 400 generated in which the angle of incidence of the electron beam is in a predetermined angular range.
Bei der Herstellung oder Bearbeitung des Bauteils 3 kann das Pulverbett 400 z. B. kontinuierlich oder schrittweise rotiert werden, um den Elektronenstrahl auf den jeweils aufzubauenden Bereich des Bauteils 3 abzulenken und auszurichten. Beispielsweise fällt der Strahlnulldurchgang 410 mit der Rotationsachse des Pulverbetts 400 zusammen. Zur Ausrichtung des Elektronenstrahls auf alle Bereiche der Baumaterialschichtoberfläche kann in 4 eine Drehbarkeit des Pulverbetts 400 um 360° vorgesehen sein.In the manufacture or processing of the component 3 can the powder bed 400 z. B. be rotated continuously or stepwise to the electron beam to each built-up area of the component 3 distract and align. For example, the zero beam crossing falls 410 with the axis of rotation of the powder bed 400 together. For aligning the electron beam to all areas of the building material layer surface may be in 4 a rotation of the powder bed 400 be provided by 360 °.
Alternativ oder ergänzend kann eine Drehung der Ausrichteinrichtung, hier der Magnetspule 330 und des Magnetkerns, vorgesehen sein. Beispielsweise sind die Drehbarkeit des Pulverbetts 400 und die Drehbarkeit der Ausrichteinheit so vorgesehen, dass sie gemeinsam Bestrahlung der gesamten Baumaterialschichtoberfläche ermöglichen, evtl. mit einem Überlappungsbereich der Drehbereiche. Ist eine Drehung der Ausrichteinrichtung vorgesehen, ist vorzugsweise eine zweidimensionale Ablenkung mit der Ablenkvorrichtung möglich, wie sie z. B. mit der aus der zuvor genannten EP 1 885 059 A2 bekannten schneller Strahlablenkungsvorrichtungen ermöglicht wird.Alternatively or additionally, a rotation of the alignment device, here the magnetic coil 330 and the magnetic core, be provided. For example, the rotatability of the powder bed 400 and the rotatability of the aligning unit is provided so as to allow irradiation of the entire building material layer surface together, possibly with an overlapping area of the rotation areas. If a rotation of the alignment device is provided, a two-dimensional deflection with the deflection device is preferably possible, as described for. B. with that of the aforementioned EP 1 885 059 A2 known faster beam deflection devices is made possible.
Die Strahlführungseinrichtung mit der Strahlausrichteinrichtung gemäß 4 erlaubt eine Herstellung von großen Bauteilen durch den Einsatz von Pulverbetten mit großen Durchmessern von z. B. mindestens 0,5 m und größer, beispielsweise mindestens 1 m oder 1,5 m oder größer.The beam guiding device with the beam alignment device according to 4 allows the production of large components by the use of large diameter powder beds of z. B. at least 0.5 m and larger, for example at least 1 m or 1.5 m or larger.
Wie zuvor beschrieben kann der Vorteil der Ausrichtung des Elektronenstahls allerdings auch bei kleineren Durchmessern von Pulverbetten von beispielsweise 5 cm, 10 cm, 20 cm, genutzt werden, z. B. insbesondere dann, wenn eine hohe räumliche Genauigkeit bei der Bereitstellung und Orientierung von Wechselwirkungszonen gewünscht wird.However, as previously described, the advantage of aligning the electron beam may be exploited even with smaller diameters of powder beds of, for example, 5 cm, 10 cm, 20 cm, e.g. B. especially when a high spatial accuracy in the provision and orientation of interaction zones is desired.
5 zeigt ein Ort-Zeit-Diagramm einer beispielhaften Abhängigkeit der Bestrahlungsdauer T vom radialen Abstand r vom Nulldurchgang im Fall eines rotierenden Pulverbettes bei einer linearen Ablenkung und einer linearen Ausrichteinrichtung. 5 shows a location-time diagram of an exemplary dependence of the irradiation time T of the radial distance r from the zero crossing in the case of a rotating powder bed in a linear deflection and a linear alignment device.
Die gestrichelte Linie deutet eine für den Sintervorgang benötigte Bestrahlungsdauer an, die ein gleichmäßiges Sintern an allen radialen Positionen unter Drehung des Pulverbetts ermöglicht. Wird gemäß der durchgezogenen Linie bestrahlt, ergibt sich ein Sintern im Innenbereich sowie im Außenbereich und kein Sintern im Mittelbereich (z. B. zur Kühlkanalausbildung).The dashed line indicates an irradiation time required for the sintering process, which enables uniform sintering at all radial positions while rotating the powder bed. If irradiated in accordance with the solid line, sintering occurs both indoors and outdoors and no sintering in the middle region (eg for cooling channel formation).
Beispielhaft wird die in 5 gezeigte Abhängigkeit anhand der in 4 dargestellten Anordnung erläutert, bei der der Elektronenstrahl auf die Mitte des Pulverbetts 400 trifft. Die beispielsweise aus der EP 1 885 059 A2 bekannte Ansteuerungstechnik zur Ablenkung eines Elektronenstrahls ermöglicht beispielsweise eine flexibel zuteilbare Bestrahlungsdauer in der Bearbeitungszone 421, wie sie in 5 angedeutet ist.By way of example, the in 5 shown dependency based on in 4 illustrated arrangement in which the electron beam to the center of the powder bed 400 meets. The example of the EP 1 885 059 A2 For example, known control technology for deflecting an electron beam allows a flexibly assignable irradiation time in the processing zone 421 as they are in 5 is indicated.
Gemäß 5 ist im radial innen liegenden Bereich eine kurze Bestrahlungsdauer T und im radial außen liegenden Bereich eine längere Bestrahlungsdauer T vorgesehen. Denn aufgrund der Rotation wandert ein radial innen liegender Bereich langsamer aus der Strahlablenkzone 420 heraus als ein radial außen liegender Bereich, so dass bei der Bestrahlung eines um einen kleinen Winkel gedrehten Pulverbetts im wesentlichen der gleiche innere Bereich, aber ein neuer äußerer Bereich bestrahlt wird und entsprechend für ein Pulverbettstellung mehr Energie, d. h. eine längere Bestrahlungsdauer, im äußeren Bereich zugeführt werden muss, um eine ausreichende Wechselwirkung (z. B. Temperatureintrag) der Elektronen mit dem Baumaterial bereitzustellen.According to 5 in the radially inner region a short irradiation time T and in the radially outer region a longer irradiation time T is provided. Because of the rotation, a radially inner region moves slower from the Strahlablenkzone 420 out as a radially outer region, so that during the irradiation of a rotated by a small angle powder bed substantially the same inner region, but a new outer region is irradiated and accordingly for a powder bed position more energy, ie a longer irradiation time, in the outer region must be supplied in order to provide a sufficient interaction (eg temperature entry) of the electrons with the building material.
Es wird darauf hingewiesen, dass in 5 die angegebenen Bestrahlungszeiten T und radialen Entfernungen r nur beispielhaft zur Verdeutlichung des Konzepts angegeben sind, aber im Allgemeinen von den Strahlparametern des Elektronenstrahls, wie z. B. Elektronenstrahlenergie, Elektronenstrahldichte, Elektronenstrahldurchmesser, kontinuierlicher Elektronenstrahl, gepulster Elektronenstrahl etc., abhängen.It should be noted that in 5 the indicated irradiation times T and radial distances r are given only by way of example for clarification of the concept, but in general of the beam parameters of the electron beam, such. B. electron beam energy, electron beam density, electron beam diameter, continuous electron beam, pulsed electron beam, etc., depend.
In einer weiteren Ausführungsform kann einer ersten linearen Strahlausrichteinrichtung eine zweite lineare Strahlausrichteinrichtung gegenüberliegend angeordnet sein (paarweise Anordnung linearer Strahlausrichteinrichtungen), so dass ein beidseitig vom Strahlnulldurchgang ablenkbarer Elektronenstrahl von einer der beiden Strahlausrichteinrichtungen ausgerichtet werden kann. Eine entsprechende Weiterbildung einer derartigen paarweisen Anordnung linearer Strahlausrichteinrichtungen ist schematisch in 6 dargestellt.In a further embodiment, a first linear beam alignment device can be arranged opposite a second linear beam alignment device (pairwise arrangement of linear beam alignment devices) so that an electron beam deflectable on both sides from the beam zero crossing can be aligned by one of the two beam alignment devices. A corresponding development of such a pairwise arrangement of linear Strahlausrichteinrichtungen is schematically in 6 shown.
6 zeigt eine Anordnung zweier orthogonal angeordneter Paare von hufeisenförmigen Magneten 626 gemäß 3A, die auf einen kreuzförmigen Ablenkbereich einer zweidimensional Ablenkeinrichtung angepasst sind und entsprechend zu einer kreuzförmigen Bearbeitungszone 621 auf dem Pulverbett 400 führen. 6 shows an arrangement of two orthogonally arranged pairs of horseshoe-shaped magnet 626 according to 3A which are adapted to a cross-shaped deflection region of a two-dimensional deflection device and corresponding to a cross-shaped processing zone 621 on the powder bed 400 to lead.
Bei entsprechend schneller Ablenkung des Elektronenstrahls in den kreuzförmigen Ablenkbereich während der Rotation des Pulverbetts 400 erlaubt die in 6 dargestellte Ausführungsform das Bestrahlen einer größeren Fläche, vorausgesetzt, dass der zugehörige Elektronenstrahlgenerator einen Elektronenstrahl mit den entsprechenden Strahlparametern, z. B. der benötigten Elektronenstrahlleistung, bereitstellen kann.With a correspondingly rapid deflection of the electron beam into the cross-shaped deflection region during the rotation of the powder bed 400 allows the in 6 illustrated embodiment, the irradiation of a larger area, provided that the associated electron beam generator, an electron beam with the corresponding beam parameters, z. B. the required electron beam power can provide.
Im Prinzip entspricht die Vorgehensweise bei der Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils mit der in 6 dargestellten Ausführungsform der Vorgehensweise wie sie in Verbindung mit 4 beschrieben wurde. D. h., der Elektronenstrahl wird ausgehend von einem Strahlnulldurchgang 610 in die beiden beispielsweise orthogonale Arme des kreuzförmigen Ablenkbereichs geführt. Dabei wird die Bestrahlungsdauer gemäß der vorgenommenen Rotation in Abhängigkeit des radialen Abstands der Arbeitspositionen Pi vom Strahlnulldurchgang 610 angepasst. Beispielsweise fällt der Strahlnulldurchgang 610 mit der Rotationsachse des Pulverbetts 400 zusammen.In principle, the procedure for producing or processing a component corresponds to that in 6 illustrated embodiment of the procedure as in connection with 4 has been described. D. h., The electron beam is starting from a zero beam 610 guided in the two, for example, orthogonal arms of the cross-shaped deflection. In this case, the irradiation time in accordance with the rotation made in dependence on the radial distance of the working positions Pi from the zero beam passage 610 customized. For example, the zero beam crossing falls 610 with the axis of rotation of the powder bed 400 together.
In dieser Ausführungsform ist beispielsweise eine Drehbarkeit des Pulverbetts 400 und/oder der Magneten 626 um 90° (plus einem Überlappungsbereich) ausreichend, um den Elektronenstrahl auf alle Bereiche der Baumaterialschichtoberfläche zu richten.In this embodiment, for example, a rotatability of the powder bed 400 and / or the magnet 626 by 90 ° (plus an overlap area) sufficient to direct the electron beam to all areas of the building material layer surface.
Zur Verdeutlichung einer weiteren möglichen funktionalen Ergänzung einer Elektronenstrahlvorrichtung weist die in 6 dargestellte Ausführungsform zusätzlich Detektionsvorrichtungen 640 zur Detektion von bei der Herstellung oder Bearbeitung rückgestreuter Elektronen auf. In 6 sind beispielhaft vier Detektionsvorrichtungen 640 zwischen den Magneten 626 derart ausgebildet und angeordnet, dass eine Detektion von rückgestreuten Elektronen während der Bestrahlung ermöglicht wird.To clarify a further possible functional addition of an electron beam device, the in 6 embodiment illustrated additionally detection devices 640 for the detection of backscattered electrons in the production or processing. In 6 are exemplary four detection devices 640 between the magnets 626 designed and arranged such that a detection of backscattered electrons during the irradiation is made possible.
Derartige Detektionsvorrichtungen detektieren vorwiegend rückgestreute Elektronen, die am Bauteil oder an dem Baumaterial in Richtung der verschiedenen strukturellen Komponenten der Strahlausrichteinrichtung, im Fall der 6 in Richtung der die vier Magneten 626 rückgestreut werden. Die Detektionsvorrichtungen sind beispielsweise seitlich unterhalb der Magnete 626 angeordnet.Such detection devices detect predominantly backscattered electrons which are incident on the component or on the building material in the direction of the various structural components of the beam-aligning device, in the case of 6 in the direction of the four magnets 626 be backscattered. The detection devices are, for example, laterally below the magnets 626 arranged.
Derartige Detektionsvorrichtungen können allgemein bei der Verwendung von Strahlausrichteinrichtungen und insbesondere bei den hierin beschriebenen Strahlführungsvorrichtungen eingesetzt werden.Such detection devices can be used generally in the use of beam alignment devices, and in particular in the beam guiding devices described herein.
Die Detektionsvorrichtungen können mit Strahlausrichteinrichtungen kombiniert und an diese in ihren Ausmaßen angepasst werden. Beispielsweise können die Detektionsvorrichtungen zwischen der Baumaterialschichtoberfläche und der Ausrichteinrichtung, auf der der Ablenkeinrichtung zugewandten Seite der Ausrichteinrichtung und/oder zwischen strukturellen Komponenten der Ausrichteinrichtung angeordnet sein. Wenn möglich sollten die möglichen Elektronenstrahlwege der Strahlführungseinrichtung nicht von den Detektionsvorrichtungen beeinflusst werden (d. h., z. B. keine Behinderung oder Ablenkung).The detection devices can be combined with beam alignment devices and adapted to these in their dimensions. For example, the detection devices may be arranged between the construction material layer surface and the alignment device, on the side of the alignment device facing the deflection device, and / or between structural components of the alignment device. If possible, the potential electron beam paths of the beam-guiding device should not be affected by the detection devices (i.e., eg, no obstruction or deflection).
Die Detektion von rückgestreuten Elektronen erlaubt Rückschlüsse auf die Struktur des erzeugten oder bearbeiteten Bauteils 3, anhand derer beispielsweise das Bestrahlungsmuster während der Bestrahlung angepasst oder die Qualität des erzeugten oder bearbeiteten Bauteils 3 beurteilt werden kann.The detection of backscattered electrons allows conclusions about the structure of the produced or machined component 3 on the basis of which, for example, adapted the irradiation pattern during irradiation or the quality of the produced or machined component 3 can be judged.
Beispielsweise kann während einer Bearbeitung eines Bauteils durch die Verwendung von Detektionsvorrichtungen bei Aufrechterhaltung der Wechselwirkungszonen, insbesondere der darin vorliegenden Temperaturverteilung, durch Erfassung der rückgestreuten Elektronen ein Bild des abgetasteten Oberflächenbereichs erzeugt werden. Dazu kann der Elektronenstrahl beispielsweise in kurzen Zeitintervallen interessierende Oberflächenbereiche des Bauteils mit einem Detektionsabtastmuster abtasten. Das Detektionsabtastmuster kann dabei dem Bestrahlungsmuster überlagert oder zwischengeschaltet werden.For example, during processing of a component by the use of detection devices while maintaining the interaction zones, in particular the temperature distribution present therein, an image of the scanned surface area can be generated by detecting the backscattered electrons. For this purpose, the electron beam can, for example, scan surface regions of interest of the component with a detection scanning pattern in short time intervals. The detection scanning pattern can be superimposed or interposed with the irradiation pattern.
Die 7A und 7B verdeutlichen als Seiten- bzw. Aufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elektronenstrahlanlage mit einer Strahlausrichteinrichtung, die den Elektronenstrahl mittels eines elektrischen Feldes ausrichtet.The 7A and 7B illustrate as side and top view of another embodiment of an electron beam system with a beam alignment device which aligns the electron beam by means of an electric field.
7A zeigt eine schematische Seitenansicht einer Elektronenstrahlanlage 701 mit einem Elektronenstrahlgenerator 710, einer Elektronenstrahlfokussiereinrichtung 722, einer Ablenkeinrichtung 724 und einem Pulverbett 738. Zur Verdeutlichung zeigt 7B schematisch eine Aufsicht auf die Strahlausrichteinrichtung der Elektronenstrahlanlage 701. 7A shows a schematic side view of an electron beam system 701 with an electron beam generator 710 , an electron beam focusing device 722 a deflector 724 and a powder bed 738 , For clarity shows 7B schematically a plan view of the Strahlausrichteinrichtung the electron beam system 701 ,
Zur Ausrichtung des Elektronenstrahls weist die Elektronenstrahlanlage 701 eine Ausrichteinrichtung auf, die eine Zentralelektrode 726A und eine radial außen angeordnete Außenelektrode 726B aufweist. Mit einer Spannungsversorgung kann beispielsweise die innere Elektrode 726A auf eine Spannung von einem Kilovolt und mehr und die radial außen liegende Außenelektrode 726B auf eine Spannung von –10 kV oder einigen –10 kV gelegt werden.For the alignment of the electron beam, the electron beam system 701 an alignment device which has a central electrode 726A and a radially outer electrode arranged outside 726B having. With a power supply, for example, the inner electrode 726A to a voltage of one kilovolt and more and the radially outer outer electrode 726B be placed on a voltage of -10 kV or some -10 kV.
Zusätzlich können im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet Elektroden 728A, 728B, 728C zur Optimierung des elektrischen Feldverlaufs vorgesehen werden. Die Elektroden 728A, 728B, 728C (beispielsweise aus Metall) können auf definierte Potentiale, z. B. auf Spannungen von –1 kV, –2 kV und –5 kV, gelegt werden, um einen gewünschten Feldverlauf im Raum zu erhalten. Alternativ können alle oder einige der Elektroden 728A, 728B, 728C aus einem Hochwiderstandsmaterial ausgebildet werden.In addition, electrodes arranged substantially parallel to one another can be arranged 728A . 728B . 728C be provided for optimizing the electric field course. The electrodes 728A . 728B . 728C (For example, metal) can be applied to defined potentials, eg. B. to voltages of -1 kV, -2 kV and -5 kV, be placed in order to obtain a desired field profile in space. Alternatively, all or some of the electrodes 728A . 728B . 728C be formed of a high resistance material.
Die Elektroden können beispielsweise plattenförmig ausgebildet und planar oder so gebogen sein, dass sich der gewünschte Elektronenstrahlverlauf einstellt. Die Elektroden können insbesondere als Plattenstapel ausgebildet sein, der in einem schmalen Bereich entlang des Radius unterbrochen ist, durch den der abgelenkte Elektronenstrahl tritt.For example, the electrodes may be plate-shaped and may be planar or curved so that the desired electron beam path is established. In particular, the electrodes may be formed as a plate stack which is interrupted in a narrow region along the radius through which the deflected electron beam passes.
Zur Unterdrückung von Glimmentladungen kann der Aufbau in einem geerdeten Käfig mit einem Eintrittsspalt und einem Austrittsspalt vorgesehen sein.To suppress corona discharge, the structure may be provided in a grounded cage with an entrance slit and an exit slit.
Ein sich zwischen den Elektroden ausbildendes elektrisches Feld E ist in den 7A und 7B schematisch angedeutet.An electric field E formed between the electrodes is in the 7A and 7B indicated schematically.
Ferner sind in 7A und 7B drei beispielhafte Elektronenstrahlwege gezeigt: ein Nulldurchgangsweg e0, der üblicherweise von den Elektronen ohne Aktivierung der Ablenkeinrichtung 724 zurückgelegt wird, sowie zwei abgelenkte Elektronenstrahlwege e1, e2, die bei mittlerer bzw. starker Ablenkung von den Elektronen zurückgelegt werden. Durch die eindimensionale Ablenkbarkeit des Elektronenstrahls kann das Baumaterial im Pulverbett 738 innerhalb einer linearen Bestrahlungszone 721 bestrahlt werden. Durch Rotation des Pulverbetts 738 kann, wie in Zusammenhang mit 4 beschrieben, die Bestrahlungszone 721 auf verschiedene Bereiche des Pulverbetts 738 ausgerichtet werden.Furthermore, in 7A and 7B Three exemplary electron beam paths are shown: a zero crossing path e0, usually from the electrons without activation of the deflector 724 and two deflected electron beam paths e1, e2, which are covered by the electrons at medium or strong deflection. Due to the one-dimensional deflectability of the electron beam, the building material in the powder bed 738 within a linear irradiation zone 721 be irradiated. By rotation of the powder bed 738 can, as related to 4 described, the irradiation zone 721 on different areas of the powder bed 738 be aligned.
In der gezeigten Ausführungsform kann der Nulldurchgangsweg e0, entlang dem die Elektronen im Wesentlichen keine Ablenkung erfahren, das elektrische Feld E im Bereich keiner oder nur einer geringen Feldstärke durchtreten. Dieser Bereich kann beispielsweise mit den Elektroden 728A, 728B, 728C eingestellt werden. Der Nulldurchgangsweg e0 kann ferner mit der Rotationsachse des Pulverbetts 738 zusammengelegt werden.In the embodiment shown, the zero-crossing path e0, along which the electrons experience substantially no deflection, can pass through the electric field E in the region of no or only a small field strength. This area can, for example, with the electrodes 728A . 728B . 728C be set. The zero-crossing path e0 may further correspond to the axis of rotation of the powder bed 738 be merged.
Die 7A und 7B zeigen ferner zwei beispielhafte Bereiche 740A, 740B, in denen Detektionsvorrichtungen angeordnet werden können.The 7A and 7B also show two exemplary ranges 740A . 740B in which detection devices can be arranged.
In einigen Ausführungsformen einer Strahlausrichteinheit ähnlich der in 7A und 7B gezeigten kann die innere Elektrode 726A nicht vorgesehen werden, so dass die üblicherweise auf GND liegende Umwandung der Elektronenstrahlanlage den Feldverlauf mitbestimmt.In some embodiments, a beam alignment unit similar to that in FIG 7A and 7B shown can be the inner electrode 726A are not provided, so that the usually lying on GND conversion of the electron beam system determines the field profile.
8 zeigt als weiteres Beispiel für eine lineare Bestrahlungszone 829 eine Strahlausrichteinheit, die auf der Ausbildung eines elektrischen Quadrupol-Feldes basiert. Dazu werden sich paarweise gegenüberliegende Elektroden 826A und 826B mit positiven bzw. negativen Spannungen, z. B. +5 kV und –5 kV oder einigen +10 kV und einigen –10 kV, belegt. Dadurch bildet sich ein Quadrupol-Feld aus, das in 8 durch Äquipotentiallinien U und Feldvektoren 852 schematisch angedeutet wird. Die lineare Bestrahlungszone 829 auf dem Pulverbett 838 erstreckt sich zwischen den auf negativen Spannungen liegenden Elektroden 826A beidseitig eines Nulldurchgangsweges e0. Die Elektroden 826A und 826B können beispielsweise als hyperbel- oder kreisförmige Elektroden ausgebildet werden. 8th shows as another example of a linear irradiation zone 829 a beam alignment unit based on the formation of an electric quadrupole field. For this purpose, pairs of opposing electrodes 826A and 826B with positive or negative voltages, z. B. +5 kV and -5 kV or some +10 kV and some -10 kV, occupied. This forms a quadrupole field, which in 8th by equipotential lines U and field vectors 852 is indicated schematically. The linear irradiation zone 829 on the powder bed 838 extends between the negative voltage electrodes 826A on both sides of a zero crossing path e0. The electrodes 826A and 826B For example, they may be formed as hyperbolic or circular electrodes.
Zusammen mit einer Drehbarkeit der Strahlausrichteinheit und/oder des Pulverbetts 838 um 180° kann die lineare Bestrahlungszone 829 derart über das Pulverbett 838 geführt werden, dass der Elektrodenstrahl auf alle Bereiche desselben gerichtet werden kann.Together with a rotation of the beam alignment unit and / or the powder bed 838 180 °, the linear irradiation zone 829 so on the powder bed 838 be guided that the electrode beam can be directed to all areas of the same.
Zusätzlich oder alternativ kann eine Umpolung der gegenüberliegende Elektroden 826A und 826B eine Umorientierung der linearen Bestrahlungszone 829 bewirken, so dass die benötigte Drehbarkeit auf 90° reduziert werden kann.Additionally or alternatively, a polarity reversal of the opposite electrodes 826A and 826B a reorientation of the linear irradiation zone 829 effect, so that the required rotation can be reduced to 90 °.
In den 9A, 9B und 9C und 10 sind beispielhaft schematische Querschnittsansichten von Strahlausrichteinrichtungen dargestellt, die eine Bestrahlung von auf einer Fläche beliebig angeordneten Arbeitspositionen ermöglichen. Der Schnitt erfolgt jeweils entlang eines zentralen nicht abgelenkten Elektronenstrahlweges e0. Die Strahlausrichteinrichtungen bewirken die Ausrichtung eines Elektronenstrahls, wobei der Elektronenstrahl von einer zugehörigen zweidimensionalen Strahlablenkeinrichtung beliebig auf Punkte einer Fläche abgelenkt werden kann. Derartige Ausführungsformen erlauben eine Bestrahlung einer Fläche, ohne dass z. B. ein Pulverbett verschoben oder gedreht wird.In the 9A . 9B and 9C and 10 exemplary schematic cross-sectional views of Strahlausrichteinrichtungen are shown, which allow irradiation of arbitrarily arranged on a surface working positions. The section is in each case along a central undeflected electron beam path e0. The beam alignment devices effect the alignment of an electron beam, wherein the electron beam can be deflected by an associated two-dimensional beam deflection device arbitrarily on points of a surface. Such embodiments allow irradiation of a surface without z. B. a powder bed is moved or rotated.
In den 9A, 9B, 9C und 10 ist jeweils schematisch eine Strahlablenkeinrichtung 924, 1024 sowie eine Baumaterialschichtoberfläche 932, 1032 gezeigt. Mit den Ausrichteinrichtungen wird der abgelenkte Elektronenstrahl durch entsprechend ausgebildeten Feldverläufe vor dem Auftreffen auf die Baumaterialschichtoberfläche 932, 1032 des Pulverbetts ausgerichtet, wobei es in den 9A, 9B und 9C ein magnetisches Feld B und in 10 ein elektrisches Feld (dargestellt durch Potentiallinien U) ist, das mit den Elektronen wechselwirkt. Anhand von beispielhaften Elektronenstrahlwegen e0, e1, e2, e3, e4 wird jeweils die Ausrichtung des Elektronenstrahls bezüglich verschiedener Punkte Pi auf der Baumaterialschichtoberfläche 932, 1032 verdeutlicht.In the 9A . 9B . 9C and 10 is in each case schematically a beam deflection device 924 . 1024 and a construction material layer surface 932 . 1032 shown. With the alignment of the deflected electron beam by appropriately trained field characteristics before hitting the building material layer surface 932 . 1032 aligned the powder bed, wherein it in the 9A . 9B and 9C a magnetic field B and in 10 is an electric field (represented by potential lines U) that interacts with the electrons. By way of exemplary electron beam paths e0, e1, e2, e3, e4, in each case the orientation of the electron beam with respect to different points Pi on the surface of the building material layer 932 . 1032 clarified.
In der in 9A gezeigten Ausführungsform umfasst eine Strahlausrichteinrichtung 926A einen ringförmig ausgebildeten Magneten 905. Beispielsweise kann als Magnet ein Magnetkern mittels mehrerer Spulen 910A, von denen eine im Schnitt auf der linken Seite angedeutet ist, magnetisiert werden. Alternativ kann als Magnet ein im Schnitt auf der rechten Seite angedeutete Permanentmagnet mit einer hufeisenförmigen Verlängerung eingesetzt werden.In the in 9A embodiment shown comprises a beam alignment device 926A a ring-shaped magnet 905 , For example, as a magnet, a magnetic core by means of several coils 910A , one of which is indicated on the left in the section, are magnetized. Alternatively, as a magnet in the section on the right side indicated permanent magnet can be used with a horseshoe-shaped extension.
Die ablenkende Wirkung des Magnetfeldes steigt nach außen hin. So ist die Stärke des Magnetfeldes B im Mittenbereich des ringförmig ausgebildeten Magnetkerns 905 am geringsten und nimmt mit radialem Abstand zu. Bei symmetrischer Anordnung und zentralem Durchgang des Elektronenstrahls mit Elektronenstrahlweg e0 wird dieser in seiner Ausbreitungsrichtung nicht vom Magnetfeld beeinflusst. Allerdings werden Elektronenstrahlen mit Elektronenstrahlwegen e1, e2, e3, e4, die von der Ablenkeinrichtung 924 abgelenkt wurden, einem Magnetfeld ausgesetzt, das zu einer der Auslenkungsrichtung entgegen gerichteten Auslenkung führt, wobei sich aufgrund der Bildfelddrehung in der Linse der Strahlauftreffort zusätzlich entland des Umfangs verschieben kann. Die Magnetfeldstärke und die Formgebung des Magnetkerne 905 werden entsprechend derart ausgelegt, dass die Ablenkung durch die Ablenkeinrichtung 924 von der Ablenkung durch das Magnetfeld B kompensiert wird, so dass die Elektronenstrahlen mit Elektronenstrahlwegen e1, e2, e3, e4 unter einem Einfallswinkel einfallen, der im Wesentlichen unabhängig von der Position auf der Baumaterialschichtoberfläche 932 ist. Beispielsweise liegt der Einfallswinkel α der Elektronenstrahlwege e0, e1, e2, e3, e4 in einem Winkelbereich von 90° ± 10°, insbesondere 90° ± 4° bzw. 90° ± 3°.The distracting effect of the magnetic field increases towards the outside. Thus, the strength of the magnetic field B in the central region of the annular magnetic core 905 is the smallest and increases with a radial distance. In a symmetrical arrangement and central passage of the electron beam with electron beam path e0 this is not influenced by the magnetic field in its propagation direction. However, electron beams with electron beam paths e1, e2, e3, e4 coming from the deflector 924 are deflected, exposed to a magnetic field, which leads to a deflection direction opposing deflection, which due to the image field rotation in the lens of the Strahlauftreffort can also move along the Entland of the circumference. The magnetic field strength and the shape of the magnetic core 905 are designed accordingly such that the deflection by the deflector 924 is compensated by the deflection by the magnetic field B so that the electron beams with electron beam paths e1, e2, e3, e4 are incident at an angle of incidence substantially independent of the position on the building material layer surface 932 is. For example, the angle of incidence α of the electron beam paths e0, e1, e2, e3, e4 lies in an angular range of 90 ° ± 10 °, in particular 90 ° ± 4 ° or 90 ° ± 3 °.
9B zeigt eine Strahlausrichteinrichtung 926B, bei der das Magnetfeld B durch eine Spule 910B ausgebildet wird. Die Spule 910B stellt in ihrem Inneren einen flächigen Bestrahlungsbereich zur Verfügung, durch den Elektronenstrahlen auf die Baumaterialschichtoberfläche 932 geführt werden. Die Spule 910B wirkt entsprechend einer magnetischen Linse, die die einzelnen Elektronenstrahlwege e0, e1, e2; e3, e4, e5 parallelisiert, so dass die Einfallswinkel α der Elektronenstrahlwege e0, e1, e2, e3, e4 im Wesentlichen gleich sind. 9B shows a beam alignment device 926B in which the magnetic field B passes through a coil 910B is trained. The sink 910B provides in its interior a planar irradiation area, through the electron beams on the building material layer surface 932 be guided. The sink 910B acts in accordance with a magnetic lens, the individual electron beam paths e0, e1, e2; e3, e4, e5 are parallelized so that the angles of incidence α of the electron beam paths e0, e1, e2, e3, e4 are substantially equal.
9C zeigt eine Strahlausrichteinrichtung 926C, bei der das Magnetfeld eine Spule 910C durch einen Magnetkern 905C verstärkt wird. Des Weiteren befindet sich im zentralen Bereich, d. h. nahe einer Symmetrieachse 933 der Strahlausrichteinrichtung, ein Zentralmagnet, der z. B. eine Zylinderspule 920 und einen Magnetkern 915 aufweist. Der Zentralmagnet erlaubt es, den Feldverlauf des Magnetfelds zu beeinflussen. 9C shows a beam alignment device 926C in which the magnetic field is a coil 910C through a magnetic core 905C is reinforced. Furthermore, it is located in the central area, ie near an axis of symmetry 933 the Strahlausrichteinrichtung, a central magnet, the z. B. a solenoid 920 and a magnetic core 915 having. The central magnet makes it possible to influence the field course of the magnetic field.
Allerdings blockt der Zentralmagnet die Elektronenstrahlwege im Bereich der Symmetrieachse 933. Die durch den Zentralmagneten der Bestrahlung nicht zugänglichen Arbeitspositionen Pi auf der Baumaterialschichtoberfläche 932 können beispielsweise durch Verschiebung des Pulverbettes und damit der Baumaterialschichtoberfläche 932 kompensiert werden. Der Zentralmagnet kann eine kompaktere Bauweise der Strahlausrichteinrichtung erlauben.However, the central magnet blocks the electron beam paths in the area of the symmetry axis 933 , The work positions Pi on the building material layer surface, which are not accessible by the central magnet of the irradiation 932 For example, by shifting the powder bed and thus the building material layer surface 932 be compensated. The central magnet may allow a more compact design of the beam alignment device.
10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Elektronenstrahlanlage 1001 mit einem Elektronenstrahlgenerator 1010, einer Elektronenstrahlfokussiereinrichtung 1022, einer Elektronenstrahlablenkeinrichtung 1024 und einer Strahlausrichteinrichtung 1026. 10 shows a further embodiment of an electron beam system 1001 with an electron beam generator 1010 , an electron beam focusing device 1022 , an electron beam deflector 1024 and a beam alignment device 1026 ,
Die Strahlausrichteinrichtung 1026 ist eine zylindersymmetrische Anordnung von mit elektrischen Spannungen belegten Zylindersegmenten 1026A, 1026B, 1026C. Beispielsweise sind die axial äußeren Zylindersegmente 1026A und 1026C mit einer Spannung von 0 Volt belegt und das zentrale Zylindersegment 1026B mit einer Spannung von 50 kV belegt. In 10 sind beispielhaft Potentiallinien U angedeutet. Ein Elektronenstrahl entlang eines Elektronenstrahlweges e0 entlang einer Zylinderachse 1033 wird von der Strahlausrichteinrichtung 1026 im Wesentlichen nicht abgelenkt. Dagegen sind die radial außen liegenden Elektronenstrahlen entlang der Elektronenstrahlwege e1, e2, e3, e4 einer mit radialem Abstand zunelmender Feldstärke ausgesetzt, so dass die Ausrichtung der Elektronenstrahlen hinsichtlich eines Einfallswinkels α in dem vorbestimmten Einfallswinkelbereich auf die Baumaterialschichtoberfläche 1032 bewirkt wird.The beam alignment device 1026 is a cylindrically symmetrical arrangement of cylinder segments loaded with electrical voltages 1026A . 1026B . 1026C , For example, the axially outer cylinder segments 1026A and 1026C occupied by a voltage of 0 volts and the central cylinder segment 1026B occupied with a voltage of 50 kV. In 10 For example, potential lines U are indicated. An electron beam along an electron beam path e0 along a cylinder axis 1033 is from the beam alignment device 1026 essentially not distracted. On the other hand, the electron beams radially outward along the electron beam paths e1, e2, e3, e4 are exposed to a radially-spaced field strength, so that the alignment of the electron beams with respect to an angle of incidence α in the predetermined incident angle range on the building material layer surface 1032 is effected.
Beispielhaft für 9A bis 10 zeigt 10 einen Bereich 1040, in dem Detektionsvorrichtungen angeordnet werden können.Exemplary for 9A to 10 shows 10 an area 1040 in which detection devices can be arranged.
11 zeigt eine Ausführungsform einer Elektronenstrahlanlage 1101, bei der sich die Anordnung Elektronenstrahlgenerator 1110, Strahlfokussiereinrichtung 1122 und Strahlablenkeinrichtung 1124 nicht mehr axial oberhalb eines Pulverbetts 1100 befindet, sondern seitlich von diesem angeordnet ist. Beispielsweise wird ein Elektronenstrahl von dem Elektronenstrahlgenerator 1110 erzeugt, der sich parallel zu einer Baumaterialschichtoberfläche 1132 des Pulverbetts 1100 ausbreitet. Die Strahlablenkeinrichtung 1124 lenkt den Elektronenstrahl entsprechend aus der horizontalen Ebene heraus. 11 shows an embodiment of an electron beam system 1101 in which the arrangement electron beam generator 1110 , Beam focusing device 1122 and beam deflector 1124 no longer axially above a powder bed 1100 but is arranged laterally from this. For example, an electron beam from the electron beam generator 1110 generated parallel to a building material layer surface 1132 of the powder bed 1100 spreads. The beam deflector 1124 deflects the electron beam accordingly out of the horizontal plane.
In der in 11 gezeigten Ausführungsform ist eine Strahlausrichteinrichtung 1126 als Sektormagnet ausgebildet, dessen Feldverteilung je nach Ablenkung des Elektronenstrahls aus der horizontalen ein entsprechendes Magnetfeld entlang des Ausbreitungsweges des Elektronenstrahls bereitstellt, das die Elektronenstrahlen e0, e1, e2 derart ausrichtet, dass ein Einfallswinkel α in einem vorbestimmten Einfallswinkelbereich unabhängig von den Arbeitspositionen Pi auf der Baumaterialschichtoberfläche 1132 des Pulverbetts 1100 vorliegt. Beispielsweise werden die Elektronen eines nicht aus der Horizontalen abgelenkten Elektronenstrahls um 90° nach unten abgelenkt (Elektronenstrahlweg e0). Nach oben abgelenkte Elektronen werden aufgrund des längeren Weges im Sektormagnet entsprechend um mehr als 90° abgelenkt (Elektronenstrahlweg eu) bzw. nach unten abgelenkte Elektronen werden um weniger als 90° abgelenkt (Elektronenstrahlweg ed).In the in 11 Shown embodiment is a beam alignment device 1126 formed as a sector magnet whose field distribution depending on the deflection of the electron beam from the horizontal provides a corresponding magnetic field along the propagation path of the electron beam, which aligns the electron beams e0, e1, e2 such that an angle of incidence α in a predetermined incident angle range regardless of the working positions Pi on the building material layer surface 1132 of the powder bed 1100 is present. For example, the electrons of an electron beam not deflected from the horizontal are deflected by 90 ° downwards (electron beam path e0). Electrons deflected upwards are correspondingly deflected by more than 90 ° due to the longer path in the sector magnet (electron beam path eu) or downwardly deflected electrons are deflected by less than 90 ° (electron beam path ed).
Ist der Sektormagnet dazu ausgebildet, eine lineare Bestrahlungszone vorzusehen, kann das Pulverbett 1100 durch laterale Positionierung und Rotation flächig bestrahlt werden. In alternativen Ausführungsformen kann das Magnetfeld im Sektormagneten derart ausgebildet sein, dass auch eine flächige Bestrahlung des Pulverbetts in einer zweidimensionalen Bestrahlungszone durchgeführt werden kann, wobei für die zweite Dimension evtl. noch eine Regelung des vorgesehen werden kann.If the sector magnet is designed to provide a linear irradiation zone, the powder bed can 1100 be irradiated surface by lateral positioning and rotation. In alternative embodiments, the magnetic field in the sector magnet can be designed such that a planar irradiation of the powder bed in a two-dimensional irradiation zone can be carried out, wherein for the second dimension possibly still a regulation of the can be provided.
Die 12 und 13 verdeutlichen, wie durch Formgebung beispielsweise eines Magneten oder eines hufeisenförmigen Magnetkerns die Wechselwirkung mit dem Magnetfeld entlang des Elektronenpfades verändert werden kann, insbesondereeine fokussierende bzw. defokussierende Wirkung bereitgestellt werden kann.The 12 and 13 illustrate how, for example, by shaping a magnet or a horseshoe-shaped magnetic core, the interaction with the magnetic field along the electron path can be changed, in particular a focusing or defocusing effect can be provided.
12 zeigt schematisch einen hufeisenförmigen Magnetkern, dessen Magnetpole 1210 sich in Ausbreitungsrichtung eines passierenden Elektronenstrahls zum Ende hin verjüngen, d. h., eine Länge L1 des Elektronenstrahls am Ende des Magnetpols 1210 ist kürzer als eine Länge L2 in der Nähe einer Verbindungsbrücke 1220. Bei Verwendung in einer Anordnung gemäß 4 oder 6 kann somit eine Länge des Elektronenstrahlweges zwischen den Magnetpolen 1210 mit dem radialen Abstand variiert werden. Dadurch wird eine verstärkte Wechselwirkung mit dem B-Feld durch den Elektronenstrahl bewirkt. 12 schematically shows a horseshoe-shaped magnetic core whose magnetic poles 1210 taper towards the end in the propagation direction of a passing electron beam, that is, a length L1 of the electron beam at the end of the magnetic pole 1210 is shorter than a length L2 near a connection bridge 1220 , When used in an arrangement according to 4 or 6 Thus, a length of the electron beam path between the magnetic poles 1210 be varied with the radial distance. This causes an increased interaction with the B-field by the electron beam.
13 zeigt schematisch eine Aufsicht auf einen Magnetkern mit geschwungen ausgebildeten Magnetpolen 1310, d. h. ein Abstand D eines Elektronenstrahls von den Magnetpolen 1310 ändert sich nicht linear entlang eines Strahldurchtrittbereichs 1321. Bei Verwendung in einer Anordnung gemäß 4 oder 6 kann das auf die Elektronen wirkende Magnetfeld entsprechend der benötigten Ausrichtung eingestellt werden. 13 schematically shows a plan view of a magnetic core with curved trained magnetic poles 1310 ie a distance D of an electron beam from the magnetic poles 1310 does not change linearly along a beam passage area 1321 , When used in an arrangement according to 4 or 6 For example, the magnetic field acting on the electrons can be adjusted according to the required orientation.
In einigen Ausführungsformen kann ein über die gesamte oder einen Teil des Pulverbetts (der Werkstückoberfläche) verfahrbarer zweiter Strahlablenker den Elektronenstrahl ausrichten. Dabei wird die Qualität des Strahls im Wesentlichen nicht beeinflusst. Da sich dieser zweite Strahlablenker schon nahe am Fokuspunkt auf der Werkstückoberfläche befindet und nur noch auf eine kurze Distanz arbeitet, kann der zweite Strahlablenker kleiner ausgebildet sein. Beispielsweise kann der verfahrbare zweite Strahlablenker auf der aus der EP 1 885 059 A2 bekannte Ansteuerungstechnik basieren. Bei einer Verfahrbahrkeit über einen Teil der Werkstückoberfläche ist zusätzlich eine Verschiebbarkeit oder Drehbarkeit des Pulverbetts (der Werkstückoberfläche) vorteilhaft.In some embodiments, a second deflector movable across all or part of the powder bed (the workpiece surface) may align the electron beam. The quality of the beam is essentially not affected. Since this second beam deflector is already close to the focal point on the workpiece surface and only works on a short distance, the second beam deflector can be made smaller. For example, the movable second Strahlablenker on the from EP 1 885 059 A2 based on known control technology. In the case of a travel distance over a part of the workpiece surface, a displaceability or rotation of the powder bed (the workpiece surface) is additionally advantageous.
Der zweite Strahlablenker kann über eine X-Mechanik (Positionierung in einer linearen Richtung X), X-Y-Mechanik, (Positionierung in zwei linearen Richtungen X und Y) oder eine R-Φ-Mechanik (Positionierung in radialer Richtung R und Drehbarkeit um Winkel Φ) bzgl. der Pulverbett (Werkstückoberfläche) positioniert werden. Bei einer R-Φ-Mechanik zeigt eine Seite des Strahlablenkers immer zum Zentrum, so dass es ausreichend sein kann, dass der Strahlablenker nur für die Ablenkung in einer (radialen) Richtung, insbesondere zum Zentrum hin, ausgebildet ist.The second beam deflector may have an X-mechanism (positioning in a linear direction X), XY-mechanics, (positioning in two linear directions X and Y) or an R-Φ-mechanism (positioning in the radial direction R and rotation by angles Φ ) with respect to the powder bed (workpiece surface) are positioned. In an R-Φ mechanism, one side of the beam deflector always points to the center, so that it may be sufficient that the beam deflector is designed only for deflection in a (radial) direction, in particular towards the center.
Als ein Beispiel zeigt 14 eine schematische Darstellung einer Elektronenstrahlanlage 1' mit einer Strahlführungseinrichtung 20, die eine erste schnelle Strahlablenkeinrichtung 24A und eine zweite bewegbare, als Strahlausrichteinheit wirkenden schnellen Strahlablenkeinrichtung 24B aufweist. Zur Beschreibung der allgemeinen Funktion der Elektronenstrahlanlage 1' ist auf die Beschreibung der in Zusammenhang mit 1 beschriebenen Elektronenstrahlanlage 1 verweisen.As an example shows 14 a schematic representation of an electron beam system 1' with a beam guiding device 20 that is a first fast beam deflector 24A and a second movable beam deflector acting as a beam alignment unit 24B having. To describe the general function of the electron beam system 1' is related to the description of 1 described electron beam system 1 refer.
Die Elektronenstrahlausrichtung erfolgt bei der Elektronenstrahlanlage 1' mit einer zweiten schnellen Strahlablenkeinrichtung 24B, die in Abhängigkeit von einer von der Strahlablenkeinrichtung vorzunehmenden Ablenkung an Orten Oi positioniert und in seinem Feldverlauf entsprechend eingestellt wird.The electron beam alignment takes place in the electron beam system 1' with a second fast beam deflector 24B which is positioned at locations Oi as a function of a deflection to be made by the beam deflection device and adjusted accordingly in its field profile.
Beispielsweise kann die zweite schnelle Strahlablenkeinrichtung 24B von der Steuerungseinrichtung 50 eindimensional oder zweidimensional positioniert werden. Z. B. kann eine Positioniervorrichtung eine Verschiebbarkeit der zweiten schnellen Strahlablenkeinrichtung 24B auf diskrete Orte eines horizontalen Koordinatennetzes bereitstellen. Alternativ oder zusätzlich kann die Positioniervorrichtung der zweiten schnellen Strahlablenkeinrichtung 24B eine kontinuierliche Verschiebbarkeit oder eine z. B. eindimensionale radiale Verschiebbarkeit in Kombination mit einer Drehbarkeit um eine Nulldurchgangsachse 1400 bereitstellen. Die Steuerungseinrichtung 50 kann beispielsweise eine Recheneinheit und einen Speicher zur Speicherung eines entsprechenden Positionierungsmusters zur Ansteuerung der Positioniervorrichtung aufweisen.For example, the second fast beam deflection device 24B of the control device 50 be positioned one-dimensionally or two-dimensionally. For example, a positioning device, a displacement of the second fast beam deflecting device 24B to discrete locations of a horizontal coordinate network. Alternatively or additionally, the positioning device of the second fast beam deflection device 24B a continuous displacement or z. B. one-dimensional radial displacement in combination with a rotation about a zero crossing axis 1400 provide. The control device 50 For example, a computing unit and a memory for storing a corresponding positioning pattern for controlling the positioning device.
Im Betrieb kann der Elektronenstrahl quasi zeitgleich mit Positionen Pi in einem Bereich wechselwirken, in den die zweite schnelle Strahlablenkeinrichtung 24B den Elektronenstrahl von einem Ort Oi aus ausrichten kann. Zur Bestrahlung eines größeren Bereichs oder mehrere Bereiche des Pulverbetts wird die zweite schnelle Strahlablenkeinrichtung 24B entsprechend an verschiedene Orten Oi gebracht. Beispielsweise kann das Pulverbett rasterförmig, kontinuierlich oder spiralförmig bestrahlt werden, indem die zweite schnelle Strahlablenkeinrichtung 24B rasterförmig, kontinuierlich oder spiralförmig Orte Oi abfährt.In operation, the electron beam can interact virtually simultaneously with positions Pi in a region in which the second fast beam deflection device 24B Align the electron beam from a location Oi. For irradiating a larger area or multiple areas of the powder bed, the second fast beam deflection device 24B according brought to different places Oi. For example, the powder bed can be irradiated in a grid-shaped, continuous or spiral manner by the second rapid beam deflection device 24B grid-shaped, continuous or spiral places Oi leaves.
Ferner kann bei der Bearbeitung/Herstellung mittels des Elektronenstrahls an einzelnen getrennten Bereichen oder beispielsweise einem im Wesentlichen eindimensionalen ausgedehnten Bereich, die zweite schnelle Strahlablenkeinrichtung 24B gezielt an die jeweiligen Orte gefahren werden, so dass nicht immer alle Orte Oi angefahren werden müssen, sondern nur die aktuell für die Bearbeitung/Herstellung benötigten Orte Oi zur Bestrahlung der benötigten Positionen Pi.Further, in the processing / production by means of the electron beam at individual separate regions or, for example, a substantially one-dimensional extended region, the second fast beam deflection device 24B be driven specifically to the respective places, so that not always all places Oi must be approached, but only the currently required for the processing / production places Oi for irradiation of the required positions Pi.
Die schnellen Strahlablenkeinrichtungen 24A und 24B können identisch oder unterschiedlich ausgebildet sein. Z. B. kann die zweite schnelle Strahlablenkeinrichtung 24B eine Ausrichtung über einen größeren Eingangsbereich bereitstellen als es eine mit der schnelle Strahlablenkeinrichtung 24A identische schnelle Strahlablenkeinrichtung 24B könnte. Je größer der abgedeckte Bereich an Positionen Pi ist, desto weniger muss die zweite schnelle Strahlablenkeinrichtung 24B bewegt werden.The fast beam deflection devices 24A and 24B can be identical or different. For example, the second fast beam deflector 24B provide alignment over a larger input area than one with the fast beam deflector 24A identical fast beam deflection device 24B could. The larger the covered area at positions Pi, the less must the second fast beam deflector 24B to be moved.
Ferner kann die zweite schnelle Strahlablenkeinrichtung 24B den Bereich, in den sie den Elektronenstrahl ausrichten kann, in seiner Größe dadurch anpassen, dass sie die zulässige Abweichung des Einfallswinkels von einem vorgegebenen Winkel insbesondere in Randzonen des Bereichs vergrößert.Furthermore, the second fast beam deflection device 24B The size of the area into which it can align the electron beam can be adjusted by increasing the permissible deviation of the angle of incidence from a predetermined angle, in particular in edge zones of the area.
Es wurden verschiedenste Ausführungsformen beschrieben, wobei zu verstehen ist, dass Modifikationen durchgeführt werden können ohne vom erfindungsgemäßen Gedanken abzuweichen. Im Folgenden werden beispielhaft Ausführungen, Modifikationen, Funktionsweisen und Anordnungen beschrieben, die auf eine oder mehrere der zuvor beschriebenen Ausführungsformen zutreffen können.Various embodiments have been described, it being understood that modifications can be made without departing from the inventive idea. Embodiments, modifications, operations and arrangements that may be applicable to one or more of the embodiments described above are described below by way of example.
Beispielsweise kann ein Elektronenstrahlgenerator ein geheiztes Filament zur Elektronenemission und eine Wehnelteinheit zur Steuerung des Strahlstroms aufweisen.For example, an electron beam generator may have a heated filament for electron emission and a wavelength unit for controlling the beam current.
Ferner kann der Elektronengenerator mit Elementen wie lichtoptischer Einblick, Druckstufe, elektronenoptischer Einblick, Bedampfungsschutz u. a. ausgestattet sein. Gegebenenfalls kann der Elektronengenerator mit einer Strahljustiereinheit und/oder einer Einheit zur Strahlstigmatisierung ergänzt sein. Beispielsweise kann der Strahlstrom und/oder die Justierung und/der die Stigmatisierung schnell, d. h. mit 10 kHz bis 10 MHz, geändert werden.Furthermore, the electron generator with elements such as light-optical insight, pressure level, electron-optical insight, evaporation protection u. a. be equipped. If appropriate, the electron generator can be supplemented with a beam adjustment unit and / or a unit for beam stigmatization. For example, the jet stream and / or the adjustment and / or the stigma can be rapidly, i. H. with 10 kHz to 10 MHz, to be changed.
Ferner kann eine Fokussierung schnell, d. h. mit 10 kHz bis 10 MHz, geändert werden. Gegebenenfalls kann die Fokussierung nur prozentual zu einer Hauptfokussierung geändert werden. Gegebenenfalls kann die Fokussierung durch den Feldverlauf der Ausrichteinrichtung ergänzt werden (Nachfokussierung).Further, focusing can be fast, i. H. with 10 kHz to 10 MHz, to be changed. Optionally, the focus can be changed only in percentage to a main focus. Optionally, the focus can be supplemented by the field profile of the alignment device (refocusing).
Bei der eindimensionalen Ausrichtung können neben hufeisenförmigen Magneten auch U-förmige, O-förmige oder ellipsenförmige Magneten verwendet werden. Ferner können teilweise offene Freiformmagneten eingesetzt werden. Dabei können Magnete und Spulen-Magnetkern-Konfigurationen, z. B. Spule mit Eisenkern, verwendet werden. Bei Spulen-Magnetkern-Konfigurationen können durch Variation des Spulenstroms die Ablenkung auf die Elektronengeschwindigkeit (Energie) abgestimmt werden. Ein schnell magnetisierbares Material kann zusammen mit schnell ansteuerbaren Spulen eine schnelle Anpassung des Magnetfeldes erlauben.In the one-dimensional orientation, in addition to horseshoe-shaped magnets, U-shaped, O-shaped or elliptical magnets can also be used. Furthermore, partially open free-form magnets can be used. In this case, magnets and coil magnetic core configurations, for. B. coil with iron core can be used. In coil magnetic core configurations, by varying the coil current, the deflection can be tuned to the electron velocity (energy). A rapidly magnetizable material can, together with fast controllable coils, allow a fast adaptation of the magnetic field.
Bei insbesondere eindimensionalen Strahlführungseinrichtungen oder Strahlführungseinrichtungen für Teilbereiche des Pulverbetts kann durch Drehung und Verschieben in der Ebene des Pulverbetts jede Position auf dem Pulverbett mit dem Elektronenstrahl erreicht werden. Alternative oder in Ergänzung kann auch die Ablenkeinrichtung selbst drehbar oder verschiebbar ausgebildet sein. Dies gilt unter anderem auch für teilflächige Strahlführungseinrichtungen und zweidimensionale Strahlführungseinrichtungen.In particular, one-dimensional beam guiding devices or beam guiding devices for partial regions of the powder bed, any position on the powder bed with the electron beam can be achieved by rotation and displacement in the plane of the powder bed. Alternatively or in addition, the deflection can itself be designed to be rotatable or displaceable. This also applies, inter alia, to part-area beam guidance devices and two-dimensional beam guidance devices.
Bei der Ausrichtung in zwei Dimensionen können zwei oder mehrere Magnete zur eindimensionalen Ausrichtung miteinander kombiniert werden. So können diese beispielsweise um eine Generatorachse herum angeordnet werden, siehe das in Zusammenhang mit der 6 beschriebene Beispiel. In derartigen Ausführungsformen kann eine Drehbarkeit des Pulverbetts oder der Strahlführungseinrichtung um weniger als 360°, z. B. ca. 90° (6) oder 180° (siehe 8), ausreichen.When aligned in two dimensions, two or more magnets can be used for one-dimensional alignment can be combined with each other. For example, these can be arranged around a generator axis, as described in connection with FIG 6 example described. In such embodiments, rotatability of the powder bed or jet guide means may be less than 360 °, e.g. B. about 90 ° ( 6 ) or 180 ° (see 8th ), suffice.
Alternativ oder zusätzlich kann die Ausrichteinheit drehbar und/oder verschiebbar ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Drehung des Pulverbetts nicht oder nur langsam erfolgen, so dass das Pulver im Pulverbett z. B. keinen oder nur geringen Vibrationen ausgesetzt wird.Alternatively or additionally, the alignment unit can be designed to be rotatable and / or displaceable. For example, the rotation of the powder bed can not or only slowly, so that the powder in the powder bed z. B. is exposed to little or no vibration.
Beispielsweise können zwei (oder mehreren) linearen Ausrichteinrichtungen vorgesehen werden, von denen eine eine schnelle eindimensionale Ablenkung kompensiert und eine eine langsamere zweite Ablenkrichtung kompensiert. Dabei wird die für die schnelle Ablenkung benötigte Ausrichteinrichtung mit der langsamen Ablenkung mit verfahren.For example, two (or more) linear alignment devices may be provided, one of which compensates for fast one-dimensional deflection and compensates for a slower second deflection direction. In this case, the alignment device required for the fast deflection is moved with the slow deflection.
Ferner können beispielsweise mit Spulen zweidimensionale Feldverteilungen erzeugt werden. Eine Feldverteilung kann so eingestellt werden, dass das Feld den Elektronenstrahl entsprechend seines Eintrittswinkels in das Feld über jedem Punkt der Bearbeitungsfläche gerade richtet. Das Feld kann ebenso wie bei der eindimensionalen Ausrichtung mit magnetischen Materialien (Eisenkernen) verstärkt werden. Durch weitere Spulen (mit oder ohne Magnetkern) oder magnetischen Elementen kann der Feldverlauf weiter angepasst werden, um eine möglichst gute Parallelstellung der Elektronenstrahlen an verschiedenen Arbeitspositionen z. B. auf dem Pulverbett zu ermöglichen.Furthermore, two-dimensional field distributions can be generated, for example, with coils. A field distribution may be adjusted so that the field straightens the electron beam according to its entrance angle into the field over each point of the processing surface. The field can be amplified with magnetic materials (iron cores) just as in the one-dimensional alignment. By further coils (with or without magnetic core) or magnetic elements, the field profile can be further adapted to the best possible parallel position of the electron beams at different working positions z. B. on the powder bed to allow.
Alternative oder in Ergänzung können auch eindimensionale oder zweidimensionale elektrische Feldverteilungen verwendet werden, um den Elektronenstrahl auszurichten.Alternatively, or in addition, one-dimensional or two-dimensional electrical field distributions may be used to align the electron beam.
Die Parallelstellung kann durch die räumliche Ausdehnung des Feldes und/oder durch seine Feldstärkenverteilung optimiert werden.The parallel position can be optimized by the spatial extent of the field and / or by its field strength distribution.
Die Felderzeugung der Ausrichteinrichtung kann in eine Vakuumkammer einer Elektronenstrahlanlage integriert sein und/oder sich innerhalb und/oder außerhalb derselben befinden.The field generation of the alignment device may be integrated in a vacuum chamber of an electron beam system and / or located inside and / or outside thereof.
Durch zueinander senkrecht verlaufende, z. B. durch Ablenkspulen der Ablenkeinrichtung erzeugte, Magnetfelder kann der Elektronenstrahl in seiner Strahlrichtung gesteuert werden. Sind große Ablenkungen zu erreichen, kann eine Ablenkung in Stufen mit aufeinanderfolgenden Ablenkeinrichtungen vorgenommen werden. Beispielsweise können sich die aufeinanderfolgenden Ablenkeinrichtungen im freien Öffnungsquerschnitt schrittweise vergrößern.By mutually perpendicular, z. B. generated by Ablenkspulen the deflection, magnetic fields, the electron beam can be controlled in its beam direction. If large deflections are to be achieved, a deflection can be made in stages with successive deflectors. For example, the successive deflectors in the free opening cross-section can increase gradually.
Wird die Ausrichteinrichtung als große Elektronenlinse betrachtet, kann die Ablenkeinrichtung beispielsweise in einem der Brennpunkte angeordnet sein, so dass der andere Brennpunkt im Unendlichen angeordnet ist, was einer Parallelisierung der abgelenkten Strahlen entspricht.If the alignment device is regarded as a large electron lens, the deflection device can be arranged, for example, in one of the focal points, so that the other focal point is arranged at infinity, which corresponds to a parallelization of the deflected beams.
Wie beschrieben können derartige große Elektronenlinsen mit Dauermagneten realisiert werden, deren Feldverlauf größere Toleranzen aufweisen können, falls z. B. eine Anordnung der Ablenkeinrichtung im Brennpunkt vorgesehen ist.As described, such large electron lenses can be realized with permanent magnets whose field characteristics can have greater tolerances, if z. B. an arrangement of the deflection is provided in the focal point.
Änderungen in der Elektronenenergie für den Bestrahlungsvorgang (beispielsweise in Abhängigkeit vom Baumaterial) kann beispielsweise durch Anpassung des Spulenstroms in den Spulen der gezeigten Ausführungsformen kompensiert werden, um die ausrichtende Wirkung der Ausrichteinrichtung auch bei verschiedenen Elektronenenergien bereitzustellen.Changes in the electron energy for the irradiation process (for example, depending on the building material) can be compensated, for example, by adjusting the coil current in the coils of the embodiments shown in order to provide the aligning effect of the alignment device even at different electron energies.
Eine nahe Anordnung der Ablenkeinrichtung an der Anode kann überdies den Vorteil haben, dass aufgrund des noch geringen Strahldurchmessers des Elektronenstrahls auch die ablenkenden Felder noch in ihren geometrischen Ausmaßen klein sein können.A close arrangement of the deflection device at the anode can also have the advantage that due to the still small beam diameter of the electron beam and the deflecting fields can still be small in their geometric dimensions.
In einigen Ausführungsformen kann eine große Elektronenstrahllinse einen Durchmesser von z. B. mindestes 1 m, 1,5 m, 2 m, und 2,5 m, und eine Polschuhabstand von beispielsweise 1,6 m aufweisen.In some embodiments, a large electron beam lens may have a diameter of e.g. B. at least 1 m, 1.5 m, 2 m, and 2.5 m, and have a pole piece distance, for example, 1.6 m.
Eine Baumaterialschichtoberfläche kann die Oberfläche einer Sinterpulverschicht (Sintermaterial) sein. Ferner kann die Baumaterialschichtoberfläche jede Herstellungs- oder Bearbeitungsfläche in einer Elektronenstrahlanlage sein, die unter anderem auch Oberflächenteilabschnitte eines zu bearbeitenden Werkstücks aufweist.A building material layer surface may be the surface of a sintered powder layer (sintered material). Furthermore, the building material layer surface may be any manufacturing or processing surface in an electron beam system which also has, among other things, surface subsections of a workpiece to be processed.
Während einer Schweißbearbeitung eines Bauteils kann die Wechselwirkungszone einer Schweißkapillare entsprechen.During a weld machining of a component, the interaction zone may correspond to a weld capillary.
Neben dem angesprochenen Sintern umfassen weitere Anwendungsbereiche der hierin beschriebenen Ausführungsformen und Konzepte z. B. das Härten, Umformen, Schweißen, Auftragsschweißen, Aufschmelzen und Auftragsschmelzen.In addition to the mentioned sintering include other applications of the embodiments described herein and concepts such. As hardening, forming, welding, build-up welding, melting and application melting.
Ferner können die hierin beschriebenen Konzepte auch mit Mehrelektronenstrahlvorrichtungen kombiniert werden.Furthermore, the concepts described herein may also be combined with multi-electron beam devices.
Mit den hierin beschriebenen Ausführungsformen und Konzepten können z. B. große Bauteile mit einem Elektronenstrahl gesintert werden. Dabei wird der Elektronenstrahl nach Möglichkeit über eine große Fläche hinreichend senkrecht auf ein Sinterpulver gelenkt. Die Abweichung vom senkrechten Einfall soll z. B. 10° nicht überschreiten. Bei großen Bauteilen sollte die Strahlablenkung schnell sein. Nach einer großen ersten Ablenkung ist für den senkrechten Einfall eine zweite Ablenkung (Ausrichtung) notwendig, um durch ein schnelles Strahlablenken ein Sintern großer Flächen zu ermöglichen. With the embodiments and concepts described herein, e.g. B. large components are sintered with an electron beam. The electron beam is directed as far as possible over a large area perpendicular to a sintered powder. The deviation from the vertical incidence z. B. do not exceed 10 °. For large components, the beam deflection should be fast. After a large first deflection, a second deflection (alignment) is necessary for the vertical incidence, in order to enable a sintering of large areas by means of a fast beam deflection.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.It is explicitly pointed out that all features disclosed in the description and / or the claims are considered separate and independent of each other for the purpose of original disclosure as well as for the purpose of limiting the claimed invention independently of the feature combinations in the embodiments and / or the claims should. It is explicitly stated that all range indications or indications of groups of units disclose every possible intermediate value or subgroup of units for the purpose of the original disclosure as well as for the purpose of restricting the claimed invention, in particular also as the limit of a range indication.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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EP 1885059 A2 [0003, 0016, 0041, 0081, 0086, 0130] EP 1885059 A2 [0003, 0016, 0041, 0081, 0086, 0130]
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DE 102008009410 A1 [0004] DE 102008009410 A1 [0004]
