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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Elektronenstrahlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine 3D-Druck-Vorrichtung für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts sowie eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einer derartigen Vorrichtung.
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Vorrichtungen zur Erzeugung einer Elektronenstrahlung der vorgenannten Art sind hinlänglich bekannt und können beispielsweise als Pierce-Elektronenkanonen ausgebildet sein. Ein Beispiel für eine derartige als Pierce-Elektronenkanone ausgebildete Vorrichtung ist in der
WO 2014/009028 A1 offenbart.
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Elektronenkanonen vom Pierce-Typ weisen eine Mehrzahl von Nachteilen auf. Zur Verdeutlichung der Nachteile wird auf die 12 bis 18 verwiesen. Die darin abgebildeten Vorrichtungen umfassen eine drahtförmige Glühkathode 1, die in einer Längsrichtung deutlich ausgedehnter ist als in einer dazu senkrechten Querrichtung. Weiterhin umfassen die Vorrichtungen eine Kathodenelektrode 2, die einer Längsnut 3 aufweist, in der die Glühkathode 1 angeordnet ist. Dabei weist die Längsnut 3 einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die Ausdehnung der Längsnut in Querrichtung etwa dreimal so groß wie der Durchmesser der Glühkathode 1 ist (siehe 14 und 18).
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In den 12 bis 17 ist weiterhin eine Anodenelektrode 4 abgebildet. Zwischen der Kathode 2 und der Anodenelektrode 4 liegt eine Spannung von beispielsweise bis zu 50 kV zur Beschleunigung der aus der Glühkathode 1 austretenden Elektronen an. Weiterhin liegt an der Glühkathode 1 eine kleine Spannung von beispielsweise etwa 10 V an, so dass ein Strom durch die Glühkathode 1 fließt, der zu einer Erwärmung der Glühkathode 1 führt. Wegen dieser Heizspannung gibt es am Anfang und am Ende der Kathodenelektrode 2 unterschiedliche Spannungsdifferenzen zwischen der Glühkathode 1 und der Kathodenelektrode 2.
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In den 16 bis 18 ist die von der Glühkathode 1 in Richtung auf die Anodenelektrode 4 ausgehende Elektrodenstrahlung 5 eingezeichnet, wobei die Elektrodenstrahlung 5 senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung aufgrund der Form der Glühkathode 1 einen langgestreckten, linienförmigen Querschnitt aufweist (nicht abgebildet), bei dem die Ausdehnung in Linienlängsrichtung deutlich größer als in Linienquerrichtung ist.
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Der schematischen Skizze gemäß 18 lässt sich entnehmen, dass nur die aus der der Anodenelektrode 4 zugewandten Seite der Glühkathode 1 austretenden Elektronen zu der Elektrodenstrahlung 5 beitragen. In realen Anwendungsfällen reduziert sich jedoch die Fläche, aus der zu der Elektrodenstrahlung 5 beitragende Elektronen austreten, weiter zu einem schmalen, sich in Längsrichtung der Glühkathode 1 erstreckenden Streifen 6, der in 18 in einem mittleren Bereich der der Anodenelektrode 4 zugewandten Seite der Glühkathode 1 angedeutet ist.
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Als nachteilig bei derartigen als Pierce-Elektronenkanonen ausgebildeten Vorrichtungen erweist es sich, dass die Elektrodenstrahlung 5 in Linienlängsrichtung vergleichsweise inhomogen ist. Das hat seinen Grund darin, dass die zumeist als Glühkathoden 1 verwendeten Wolframdrähte in der Regel polykristallin aufgebaut sind, wobei die Energie, die ein sich in den Polykristallen bewegendes Elektronen aufweisen muss, um aus dem Kristall auszutreten, für die einzelnen Polykristalle unterschiedlich sein kann. Weil in Längsrichtung der Glühkathode 1 beziehungsweise in Längsrichtung des Streifens 6 eine Vielzahl von unterschiedlichen Polykristallen nebeneinander angeordnet sind, ergeben sich in Längsrichtung des Profils der Elektronenstrahlung 5 eine Vielzahl unterschiedliche Energien der Elektronen.
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Weiterhin zeigt es sich, dass die Intensitätsverteilung der Elektronenstrahlung 5 sehr empfindlich von der Ausrichtung der drahtförmigen Glühkathode 1 in der Nut 3 der Kathodenelektrode 2 abhängt. Wegen der durch die Heizspannung bedingten unterschiedlichen Spannungsdifferenzen zwischen der Glühkathode 1 und der Kathodenelektrode 2 am Anfang und am Ende der Kathodenelektrode 2 muss die Glühkathode 1 unter einem kleinen Winkel zur Längsrichtung der Nut 3 in dieser angeordnet werden, um eine Elektronenstrahlung 5 mit gleicher Intensität an den Enden der linienförmigen Verteilung zu erreichen. Diese leichte Verkippung der Glühkathode 1 in der Nut 3 ist einerseits wegen der erwähnten empfindlichen Abhängigkeit der Intensitätsverteilung von der Ausrichtung mit großem Justageaufwand verbunden. Andererseits werden dadurch mögliche Längen der linienförmigen Intensitätsverteilung auf beispielsweise etwa 100 mm begrenzt.
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Weiterhin als nachteilig erweist sich die Anfälligkeit derartiger als Pierce-Elektronenkanonen ausgebildeter Vorrichtungen gegenüber Partikeldämpfen, die während des Betriebs der Vorrichtung von einem zu bearbeitenden Werkstück oder einem mit Elektronenstrahlung beaufschlagten Ausgangsmaterial für den 3D-Druck ausgehen können. Die Partikel können sich insbesondere am Rand der Nut 3 ablagern und dort Materialanhäufungen bilden, die die Erzeugung der Elektronenstrahlung 5 beeinflussen beziehungsweise deren Qualität drastisch verschlechtern können.
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Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die effektiver ist und/oder mit der eine homogenere Elektronenstrahlung erzeugt werden kann und/oder mit der größere Linienlängen erzielt werden können und/oder die unempfindlicher gegen Partikeldämpfe ist. Weiterhin sollen eine 3D-Druck-Vorrichtung sowie eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks der eingangs genannten Art mit einer derartigen Vorrichtung angegeben werden.
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Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine 3D-Druck-Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 11 sowie durch eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 12 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Glühkathode derart beabstandet von der Kathodenelektrode angeordnet ist, dass im Betrieb der Vorrichtung in jeder der Querrichtungen aus der Glühkathode Elektronen austreten, die zu der Anode beschleunigt werden.
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Dadurch, dass in sämtliche radiale Richtungen aus der Glühkathode ausgetretene Elektronen zu der Elektronenstrahlung beitragen, wird die Effektivität der Vorrichtung gesteigert, weil bei gleicher Beschleunigungsspannung der Strom erhöht wird.
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Weiterhin trägt dadurch, dass in sämtliche radiale Richtungen aus der Glühkathode ausgetretene Elektronen zu der Elektronenstrahlung beitragen, eine größere Zahl von Abschnitten der Oberfläche der Glühkathode zu der Elektronenstrahlung bei. Dies führt dazu, dass zu den einzelnen Bereiche der Elektronenstrahlung in Längsrichtung der Intensitätsverteilung mehr Polykristalle beitragen, wodurch die Energien der einzelnen Bereiche über eine größere Anzahl von Polykristallen gemittelt werden. Dies führt zu einer größeren Homogenität der Elektronenstrahlung in Linienlängsrichtung.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die Kathodenelektrode auf der der Glühkathode zugewandten Seite eine glatte Oberfläche und/oder eine nicht unterbrochene Oberfläche aufweist, wobei die Oberfläche insbesondere nicht durch eine Nut oder dergleichen unterbrochen ist. Durch eine glatte, nicht unterbrochene Oberfläche der Kathodenelektrode, die insbesondere keine Nut aufweist, ist die Vorrichtung unempfindlicher gegenüber Partikeldämpfen. Insbesondere ist keine Nut vorgesehen, an deren Rand sich Partikel ablagern und dort Materialanhäufungen bilden könnten. Weiterhin ist die Vorrichtung bei einer glatten, nicht unterbrochenen Oberfläche der Kathodenelektrode wesentlich unempfindlicher gegenüber leichten Verkippungen der Glühkathode, so dass der Justageaufwand reduziert wird. Weiterhin können dadurch Vorrichtungen geschaffen werden, die Elektronenstrahlungen mit größerer Linienlänge erzeugen können.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Kathodenelektrode auf der der Glühkathode zugewandten Seite eine gekrümmte Oberfläche aufweist, insbesondere eine hohlzylindrische, konkav gekrümmte Oberfläche aufweist. Dabei kann die hohlzylindrische, konkav gekrümmte Oberfläche der Kathodenelektrode eine Scheitellinie aufweisen, vorzugsweise eine Oberfläche mit einem parabelförmigen Querschnitt aufweisen. Vorzugsweise kann dabei der Abstand der Glühkathode zu der Oberfläche der Kathodenelektrode im Bereich der Scheitellinie der konkaven Krümmung, insbesondere des Extremums der Parabel, kleiner als der Abstand der Glühkathode zu anderen Bereichen der Oberfläche der Kathodenelektrode sein. Durch eine derartige Anordnung der Glühkathode vor der Kathode, insbesondere vor einer Scheitellinie der gekrümmten Kathodenoberfläche wird die Vorrichtung noch unempfindlicher gegenüber leichten Verkippungen der Glühkathode, so dass der Justageaufwand weiter reduziert wird und Elektronenstrahlungen mit noch größerer Linienlänge erzeugt werden können. Weiterhin werden von der Glühkathode Teile der Oberfläche, insbesondere die Scheitellinie und deren Umgebung, von der Glühkathode abgeschattet, so dass in diesem Bereich keine Bedampfung mit Partikeln stattfinden kann.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die im Betrieb der Vorrichtung in Richtung auf die Kathodenelektrode aus der Glühkathode austretenden Elektronen an der Oberfläche oder im Bereich der Oberfläche der Kathodenelektrode in Richtung auf die Anode reflektiert oder in Richtung auf die Anode abgelenkt werden. Dadurch wird gewährleistet, dass im Wesentlichen sämtliche in radiale Richtungen aus der Glühkathode ausgetretenen Elektronen zu der Elektronenstrahlung beitragen.
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Es kann vorgesehen sein, dass als Anode ein zu bearbeitendes Werkstück dient. Dies kann insbesondere dann realisiert werden, wenn die Vorrichtung zur Erzeugung einer Elektronenstrahlung in einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks verwendet wird. Durch die Verwendung des Werkstücks als Anode kann auf eine separate Anodenelektrode verzichtet werden. Dies wird insbesondere dadurch möglich, dass die Vorrichtung vergleichsweise unempfindlich gegenüber Partikeldämpfen ist. Die Abmessungen der Vorrichtung können dadurch stark verkleinert werden.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Anode als Anodenelektrode ausgebildet ist, die insbesondere eine Öffnung aufweist, durch die die von der Glühkathode ausgehende Elektronenstrahlung hindurchtreten kann. Dies kann insbesondere dann realisiert werden, wenn die Vorrichtung zur Erzeugung einer Elektronenstrahlung in einer 3D-Druck-Vorrichtung für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts verwendet wird.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die Vorrichtung mindestens eine Ablenkelektrode, vorzugsweise eine Mehrzahl von Ablenkelektroden umfasst, wobei die mindestens eine Ablenkelektrode insbesondere zur Kompression und/oder zur Fokussierung der Elektrodenstrahlung dient. Dabei kann die mindestens eine Ablenkelektrode in Ausbreitungsrichtung der Elektronenstrahlung hinter der Anodenelektrode angeordnet sein.
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Gemäß Anspruch 11 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Erzeugung einer Elektronenstrahlung eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist.
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Gemäß Anspruch 12 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Erzeugung einer Elektronenstrahlung eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung einer Elektronenstrahlung;
- 2 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß 1;
- 3 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung einer Elektronenstrahlung;
- 4 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß 3;
- 5 eine schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung einer Elektronenstrahlung;
- 6 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß 5;
- 7 eine schematische Seitenansicht einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung einer Elektronenstrahlung;
- 8 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß 7;
- 9 eine schematische Seitenansicht einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung einer Elektronenstrahlung, wobei die erzeugte Elektronenstrahlung verdeutlicht ist;
- 10 eine Detailvergrößerung der 9;
- 11 eine Detailvergrößerung der 10;
- 12 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Elektronenstrahlung, die als Pierce-Elektronenkanone ausgebildet ist;
- 13 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß 12;
- 14 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Elektronenstrahlung, die als Pierce-Elektronenkanone ausgebildet ist;
- 15 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß 14;
- 16 eine schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Elektronenstrahlung, die als Pierce-Elektronenkanone ausgebildet ist, wobei die erzeugte Elektronenstrahlung verdeutlicht ist;
- 17 eine Detailvergrößerung der 16;
- 18 eine Detailvergrößerung der 17.
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In den Figuren sind gleiche oder funktional gleiche Teile oder Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die abgebildeten Vorrichtungen umfassen eine Glühkathode 11, eine Kathodenelektrode 12 und eine Anodenelektrode 13. Die Vorrichtung kann eine Elektronenstrahlung 14 erzeugen (siehe 9 bis 11).
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Bei sämtlichen Ausführungsformen ist die Glühkathode 11 als Draht ausgebildet und erstreckt sich in die Zeichenebene der 1, 3, 5, 7 und 9 bis 11 hinein beziehungsweise in einer Längsrichtung, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Elektronenstrahlung 14 angeordnet ist. Durch diese Gestaltung wird ein linienförmiger Querschnitt der Elektronenstrahlung 14 erzielt, wobei die Längsrichtung des linienförmigen Querschnitts parallel zur Längsrichtung des die Glühkathode 11 bildenden Drahtes ausgerichtet ist.
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In den abgebildeten Ausführungsformen umfasst die Anodenelektrode 13 jeweils zwei voneinander beabstandete Teile 13a, 13b, zwischen denen die Elektronenstrahlung 14 hindurchtreten kann. Anstelle einer mehrteiligen Anodenelektrode 13 kann auch eine einteilige Anodenelektrode 13 vorgesehen sein. Diese kann dann eine Öffnung aufweisen, durch die die von der Glühkathode 12 ausgehende Elektronenstrahlung 14 hindurchtreten kann. Die Öffnung kann insbesondere rechteckig sein und in ihrer Längsrichtung, die sich in die Zeichenebene der 1 hinein erstreckt, eine wesentlich größere Abmessung aufweisen als in ihrer Querrichtung, um die linienförmige Elektronenstrahlung 14 passieren zu lassen.
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Die Glühkathode 11 wird von einer nicht abgebildeten Spannungsquelle derart mit einer Spannung beaufschlagt, dass ein Strom durch die Glühkathode 11 fließt, der zu einer Erwärmung der Glühkathode 11 führt. Dabei kann die Glühkathode 11 zumindest teilweise auf dem gleichen Potential wie die Kathodenelektrode 12 liegen.
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Im Betrieb der Vorrichtung liegt zwischen der Kathodenelektrode 12 und der Anodenelektrode 13 eine von einer nicht abgebildeten Spannungsquelle erzeugte Spannung zur Beschleunigung der aus der Glühkathode 11 austretenden Elektronen an. Die Spannung kann beispielsweise zwischen 1 kV und 10 kV betragen. Dabei ist die Kathodenelektrode 12 mit dem Minuspol und die Anodenelektrode 13 mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbunden, wobei insbesondere die Anodenelektrode 13 zusätzlich mit Masse verbunden sein kann.
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Es besteht die Möglichkeit, bei der Vorrichtung auf die Anodenelektrode zu verzichten. In diesem Fall kann beispielsweise ein zu bearbeitendes metallisches Werkstück als Anode dienen.
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Die Kathodenelektrode 12 weist einen einseitig geöffneten Hohlraum 15 auf, in dem die Glühkathode 11 angeordnet ist. Die den Hohlraum 15 bildende Oberfläche 16 der Kathodenelektrode 12 ist glatt beziehungsweise nicht unterbrochen. Die Oberfläche 16 ist hohlzylindrisch und konkav gekrümmt ausgebildet, wobei die Oberfläche 16 insbesondere einen parabelförmigen Querschnitt aufweist. Dadurch weist die konkav gekrümmte Oberfläche 16 der Kathodenelektrode 12 eine Scheitellinie 17 auf, die sich in 11 in die Zeichenebene hineinerstreckt. Vor dieser Scheitellinie 17 beziehungsweise vor dem Extremum der Parabel ist die Glühkathode 11 angeordnet (siehe 1). Dabei weist die Glühkathode 11 einen Abstand zu der Oberfläche 16 der Kathodenelektrode 12 auf, der im Bereich der Scheitellinie 17 beziehungsweise des Extremums der Parabel kleiner ist als der Abstand der Glühkathode 11 zu anderen Bereichen der Oberfläche 16 der Kathodenelektrode 12.
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11 verdeutlicht, dass auch die nach oben in 11 beziehungsweise die in Richtung auf die Scheitellinie 17 aus der Glühkathode 11 austretenden Elektronen nach unten in Richtung auf die Anodenelektrode 13 umgelenkt werden. Im Betrieb der Vorrichtung werden also die in Richtung auf die Kathodenelektrode 12 aus der Glühkathode 11 austretenden Elektronen an der Oberfläche 16 oder im Bereich der Oberfläche 16 der Kathodenelektrode 12 in Richtung auf die Anodenelektrode 13 reflektiert oder in Richtung auf die Anodenelektrode 13 abgelenkt. Dadurch wird gewährleistet, dass im Wesentlichen sämtliche in radiale Richtungen aus der Glühkathode 11 ausgetretenen Elektronen zu der Elektronenstrahlung 14 beitragen.
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Die Ausführungsform gemäß 1 und 2 umfasst weiterhin in Ausbreitungsrichtung der Elektronenstrahlung 14 hinter der Anodenelektrode 13 zwei Ablenkelektroden 18a, 18b. Die beiden Ablenkelektroden 18a, 18b können auch weggelassen werden. Sie dienen lediglich der Formung des Strahlprofils der Elektronenstrahlung 14.
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Die Ausführungsformen gemäß den 3 bis 8 umfassen weiterhin in Ausbreitungsrichtung der Elektronenstrahlung 14 hinter den Ablenkelektroden 18a, 18b eine weitere Elektrode 19, die eine Öffnung 20 für den Hindurchtritt der Elektronenstrahlung 14 aufweist. Die weitere Elektrode 19 kann gegenüber den Ablenkelektroden 18a, 18b ein positives Potenzial aufweisen, so dass die Elektronen der Elektronenstrahlung 14 in Richtung auf die weitere Elektrode 19 beschleunigt werden und durch die Öffnung 20 hindurchtreten.
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Die einzelnen Ausführungsformen unterscheiden sich teilweise durch die Ausgestaltung der Anodenelektrode 13. Bei den Ausführungsformen der 1 bis 4 weist die Anodenelektrode 13 zwei ebene, plattenförmige und voneinander beabstandete Teile 13a, 13b auf. Diese sind so gegenüber der Horizontalen in den Zeichnungen geneigt, dass sich ihre einander zugewandten Enden nach oben in den Hohlraum 15 der Kathodenelektrode 12 hineinerstrecken.
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Bei der Ausführungsform gemäß 5 und 6 sind die Teile 13a, 13b ähnlich angeordnet. Sie sind jedoch nicht eben ausgebildet sondern gekrümmt.
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Bei den Ausführungsformen der 7 bis 11 sind die Teile 13a, 13b wie bei den ersten Ausführungsformen gemäß 1 bis 4 eben gestaltet. Sie sind jedoch nicht gegenüber der Horizontalen in den Zeichnungen geneigt, so dass sich ihre einander zugewandten Enden nicht nach oben in den Hohlraum 15 der Kathodenelektrode 12 hineinerstrecken.
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Die Vorrichtung zur Erzeugung einer Elektronenstrahlung kann in eine 3D-Druck-Vorrichtung für die Herstellung eines räumlich ausgedehnten Produkts integriert werden. Dazu kann dann beispielsweise in einem Arbeitsbereich 21 (siehe 9) ein aus Metall bestehendes stangenförmiges Ausgangsmaterial für den 3D-Druck angeordnet sein, dass von der Elektronenstrahlung 14 aufgeschmolzen werden kann. Alternativ kann auch ein pulverförmiges Ausgangsmaterial vorgesehen sein.
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Bei den beschriebenen Vorrichtungen können einige oder insbesondere sämtliche Teile in einem Vakuum angeordnet sein. Das dazu erforderliche Gehäuse ist in den Figuren nicht oder nicht vollständig abgebildet. Lediglich in 9 ist ein Gehäuse 22 schematisch angedeutet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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