EP4003624A1 - Method and electron beam equipment for processing powdered materials at high acceleration voltages - Google Patents

Method and electron beam equipment for processing powdered materials at high acceleration voltages

Info

Publication number
EP4003624A1
EP4003624A1 EP20750223.8A EP20750223A EP4003624A1 EP 4003624 A1 EP4003624 A1 EP 4003624A1 EP 20750223 A EP20750223 A EP 20750223A EP 4003624 A1 EP4003624 A1 EP 4003624A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electron beam
powder
powdery material
acceleration voltage
powder bed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20750223.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thorsten Löwer
Alexander Klassen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pro Beam GmbH and Co KG
Original Assignee
Pro Beam GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pro Beam GmbH and Co KG filed Critical Pro Beam GmbH and Co KG
Publication of EP4003624A1 publication Critical patent/EP4003624A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/36—Process control of energy beam parameters
    • B22F10/362—Process control of energy beam parameters for preheating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/36—Process control of energy beam parameters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40—Radiation means
    • B22F12/41—Radiation means characterised by the type, e.g. laser or electron beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/90—Means for process control, e.g. cameras or sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
    • B23K15/0046—Welding
    • B23K15/0086—Welding welding for purposes other than joining, e.g. built-up welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B33Y40/10—Pre-treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method for processing a powdery material with an electron beam system at high acceleration voltages.
  • the invention relates to a method for preheating a powdery material at high acceleration voltages and a method for melting a powdery material at high acceleration voltages.
  • the invention also relates to an electron beam system for carrying out such procedures for processing powdery material at high acceleration voltages.
  • Additive manufacturing processes are characterized by the joining together of volume elements to form a three-dimensional structure, in particular by a layered structure.
  • methods are used in which an energy beam is used to combine a powdery material in a powder bed by selective melting of the individual powder particles point by point and layer by layer to form a 3D structure.
  • the material can be solidified by sintering the powder particles or by completely melting the powder particles by means of laser beams or electron beams.
  • metal powder by selective electron beam melting allows the production of complex geometries and structures with quick and precise manipulation and a high degree of automation.
  • processing the powdery material with electron beams causes a locally and temporally limited electrostatic charge of the exposed powder. beds, as metal powder particles, for example, are often surrounded by an oxide layer, which is less conductive. Therefore, a metal powder particle, although it is conductive inside, can become electrically charged when the electron beam arrives.
  • the charge can reach a supercritical level and collectively accelerate the powder particles resting in the area of impact of the electron beam out of the processing zone, i.e. distribute them from the powder bed to other areas of the electron beam system before the fusion process occurs. This leads to material losses and process interruptions, since the material is expelled from the powder bed before sintering.
  • preheating include the heating of the applied powder layer by means of a heating plate or by exposure to electron beams with normal acceleration voltages of approximately 60 kV. Another efficient method of preheating the powder layer is described in WO
  • the object of the invention is therefore to provide methods for processing a powdery material which better solve the problem of electrostatic powder discharge of the powdery material during processing with the electron beam.
  • Another object of the invention is to provide a corresponding electron beam system for processing the powdery material.
  • this object is achieved by a method for processing a pulverulent material which comprises the following steps: a1) providing an electron beam system comprising a device for receiving a powder bed from the pulverulent material to be processed, and an electron beam generator which is set up to directing an electron beam to laterally different locations of the powder bed b1) applying a powder layer to a substrate c1) preheating the powdery material with the electron beam, the electron beam being operated in step c1) with an acceleration voltage of 90 kV or greater.
  • Known electron beam machining processes and also preheating processes carried out by means of the electron beam are usually carried out at acceleration voltages of about 60 kV, since above this high voltage value hard X-rays occur that are not shielded by conventional electron beam devices.
  • the inventors have now recognized that by increasing the acceleration voltage to 90 kV or greater with the same power input for preheating by the electron beam, a lower beam current can be selected. This means that a smaller number of charge carriers is entered in the material per unit of time, as a result, there is less electrostatic charge. As a result, the temperature for premelting the powder particles can be reached with less electrostatic charge.
  • the higher acceleration voltage causes an increased penetration depth and thus a distribution of the electrons over a larger volume in the material.
  • the method according to the invention thus solves the described problem of electrostatic powder expulsion to the effect that the preheating step results in a change in the energy balance in the powdery material, e.g. due to sintering.
  • the jet current remaining the same compared to previous preheating methods, however, significantly shorter exposure times can be achieved by increasing the acceleration voltage and, as a result, the process time can be shortened without increasing the electrostatic powder discharge.
  • the inventors have recognized that higher acceleration voltages with a constant beam current lead to a significant improvement in process stability due to reduced electrostatic powder discharge. Since the variables that determine electrostatic powder bed charging can be derived from the local current density and the properties of the powder, the values for the acceleration voltage and the beam current can be derived from a formula. In this formula, parameters such as the temperature of the powder can be derived verbetts, the pressure in the electron beam device or a material property parameter such as melting temperature, heat capacity or conductivity of the powder material are included.
  • the method preferably comprises the step d1) melting with the electron beam of at least part of the powder layer.
  • the acceleration voltage in the method according to the invention is preferably 90 kV to 150 kV, in particular 100 kV or greater, preferably 120 kV or greater.
  • the beam power is preferably at least 100 W and at most 100 kW.
  • the powdery material preferably comprises titanium, copper, nickel, aluminum and / or alloys thereof, in particular Ti-6Al-4V, an alloy comprising titanium, 6% by weight of aluminum and 4% by weight of vanadium.
  • the powdery material preferably has an average grain size D50 of 10 ⁇ m to 150 ⁇ m.
  • the object is achieved by a further method for processing a powdery material, which comprises the following steps: a2) Providing an electron beam system (1) comprising a device (6) for receiving a powder bed (7) from the powdery material (12) to be processed ), and an electron beam generator (3) which is set up to direct an electron beam (4) onto laterally different locations of the powder bed (7); b2) applying a powder layer (9) to a substrate (10); c2) melting at least part of the pulverulent material (12) with the electron beam (4); wherein the electron beam (4) is operated in step c2) with an acceleration voltage of 90 kV or greater; and no preheating of the powder layer (9) takes place between step b1) and step c1).
  • the process time can be reduced even further by this method, since the process time is additionally reduced by completely omitting the pre-heating step and operating the electron beam at 90 kV or higher in the melting step.
  • this process uses the effect of the increased penetration depth and the resulting better charge distribution of the electrons, as well as the reduced electron entry with the same power.
  • the acceleration voltage in the method according to the invention is preferably 90 kV to 150 kV, in particular 100 kV or greater, preferably 120 kV or greater.
  • the beam power is preferably at least 100 W and at most 100 kW.
  • the powdery material preferably comprises titanium, copper, nickel, aluminum and / or alloys thereof, in particular Ti-6Al-4V, an alloy comprising titanium, 6% by weight of aluminum and 4% by weight of vanadium.
  • the powdery material preferably has an average grain size D50 of 10 ⁇ m to 150 ⁇ m.
  • the system for processing powdery material with an electron beam system
  • the system according to the invention comprises a device for receiving a powder bed from the powdery material to be processed, and an electron beam generator which is set up to direct an electron beam to laterally different locations of the powder bed align, the electron beam system being designed to carry out the method according to the invention.
  • the electron beam system preferably has X-ray shielding for this purpose, which is designed such that, despite a high voltage of over 90 kV, preferably over 100 kV, in particular over 120 kV, the x-ray radiation outside the electron beam system is below a specified limit. In particular, this limit must meet the requirements of the Radiation Protection Ordinance.
  • a viewing window in the interior of the electron beam system is to be provided with a thicker shielding layer or even a separate cover is to be provided which covers the viewing window during operation and whose opening ends the process.
  • the electron beam system can advantageously include a control unit which, when the powder material to be fused is entered, defines the values for the acceleration voltage U and the beam current I using a stored formula.
  • FIG. 1 shows a perspective view of an electron beam system according to the invention with a powder container.
  • FIG. 1 shows an electron beam system 1 with a vacuum housing 2 in which an electron beam gun 3 for generating an electron beam 4 is arranged.
  • the electron beam gun 3 is arranged with an optional optical magnet unit 5 above a lifting table 6 with a lifting plate and a receiving frame, which serves as a spatially limited powder container which receives a powder bed 7 made of a powdery material to be processed.
  • the powder application device 9 has a container, not shown, for the powdery material, from which the material on the powder bed 7 can be squeegeed as the top loose layer 8 by a movement.
  • the relative movement of the electron beam to the powder bed 7 can be done by deflecting the electron beam in the deflection device 5, or by setting up the Hubti cal.
  • Components that are manufactured with the method according to the invention and the system according to the invention can be found in the aerospace industry as turbine blades, Pump wheels and gear mounts in helicopters; in the automotive industry as turbo charger wheels and wheel spokes; in medical technology as orthopedic implants and prostheses; as a heat exchanger and in tool and mold making applications.
  • the powdery material according to the invention includes all electrically conductive materials suitable for the electron beam method.
  • Preferred examples are metallic or ceramic materials, in particular titanium, copper, nickel, aluminum and alloys thereof such as Ti-6AI-4V, an alloy consisting of titanium, 6 wt% aluminum and 4 wt% vanadium, AISil OMg and titanium aluminide (TiAl ).
  • NiCr19NbMo nickel-based alloys
  • iron and iron alloys in particular steels such as tool steel and stainless steel, copper and alloys thereof, refractory metals, in particular niobium, molybdenum, tungsten and alloys thereof, precious metals, in particular gold, magnesium and alloys of these, cobalt-based alloys such as CoCrMo, high-entropy alloys such as AICoCrFeNi and CoCrFeNiTi, as well as shape memory alloys.
  • the powdery material preferably has an average grain size D50 of 10 ⁇ m to 150 ⁇ m.
  • the acceleration voltage in the preheating step and / or in the melting step is 90 kV or more.
  • the increase in the acceleration voltage causes the electrons to penetrate more deeply into the powdery material.
  • factors influencing the maximum depth of penetration of the electrons into matter include material parameters such as density, atomic mass and atomic number. It is known that the penetration depth in titanium at 60 kV is a maximum of about 15 pm, at 90 kV a maximum of about 30 pm and at 150 kV a maximum of about 70 pm.
  • the energy introduced is distributed over a larger volume in the powder bed and, as a result, the tendency to develop local temperature peaks and thus fusing is reduced during the preheating step. This leads to an increased quality of the residual powder and effectively higher degrees of recycling of the material.
  • the maximum beam power of 100 kW takes into account the fact that in the interaction volume between electrons and the powdery material to be processed, the material can be converted into the molten state with typical beam parameters without undesirable effects such as evaporation of the material caused by overheating.
  • the calculation basis is the material-specific energy to be used for heating and melting and the interaction volume, which is a function of the acceleration voltage and the area exposed by the electron beam.
  • the uppermost loose layer 8 of powdery material is first applied to a substrate with the powder application device 9.
  • the base plate 10 or the powder bed 7 can be considered as the substrate, as well as the component 11 in later process stages.
  • a preheating step takes place.
  • the uppermost loose layer 8 is exposed to the electron beam 4.
  • the acceleration voltage of the electron beam 4 is at least 90 kV. In preferred embodiments of the method according to the invention, the acceleration voltage is between 90 and 150 kV, acceleration voltages of 100 kV and 120 kV are particularly preferred.
  • the beam parameters are selected according to the quality of the powdery material. Typically, a beam current between at least 100 W and at most 100 kW is set. The scanning speed is at least 1 m / s and at most 1000 m / s.
  • the loose layer 8 is connected to one another by diffusion processes on the grain surfaces. This leads to a reduction in the contact resistance between the individual powder particles 12 in the layer 8 and consequently to a higher electrical conductivity on the surface of the powder bed. In this way, the charge introduced by the electron beam can be better dissipated and electrostatic powder discharge can be avoided.
  • the melting step then takes place.
  • the electron beam gun 3 by melting the powder particles 12 at points of the prepared powder bed 7 or its uppermost loose layer 8, which are provided by the 3D structure to be generated, a firm connection is created.
  • the invention also relates to a method for processing a powdery material without an additional preheating step.
  • the uppermost loose layer 8 of powdery material is applied to a substrate with the powder application device 8.
  • the base plate 10 or the powder bed 7 can be viewed, as well as the component 11 in later process stages.
  • the acceleration voltage of the electron beam 4 is at least 90 kV. In preferred embodiments of the method according to the invention, the acceleration voltage is between 90 and 150 kV. Preferred examples are acceleration voltages of 100 kV and 120 kV. The steps described above are repeated layer by layer until the 3D structure is completed.
  • the idea of the invention is thus preferably shown in a method for additive manufacturing with an electron beam, in which an acceleration voltage between 90 kV to 160 kV, in particular 100 kV or greater, preferably 120 kV or greater, again preferably greater than, during preheating and / or melting 120 kV, again preferably between 135 kV and 160 kV, is used.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

The invention relates to methods for processing a powdered material using electron beam equipment for the additive manufacture of components, which methods solve the problem of electrostatic powder entrainment and significantly reduce the process times. This effect is achieved by acceleration voltages of 90 kV or greater in the pre-heating step and/or in the melting step.

Description

VERFAHREN SOWIE ELEKTRON ENSTRAHLAN LAGE ZUM BEARBEITEN VON PULVERFORMI- PROCESS AND ELECTRON ENSTRAHLAN LAYER FOR PROCESSING POWDER FORM
GEN WERKSTOFFEN BEI HOHEN BESCHLEUNIGUNGSSPANN UNGEN GENERAL MATERIALS AT HIGH ACCELERATION VOLTAGE
HINTERGRUN D DER ERFINDUNG BACKGROUND TO THE INVENTION
1. Gebiet der Erfindung 1. Field of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines pulverförmigen Werkstoffs mit einer Elektronenstrahlanlage bei hohen Beschleunigungsspannungen. Insbesondere be trifft die Erfindung ein Verfahren zum Vorheizen eines pulverförmigen Werkstoffs bei ho hen Beschleunigungsspannungen und ein Verfahren zum Schmelzen eines pulverförmigen Werkstoffs bei hohen Beschleunigungsspannungen. The invention relates to a method for processing a powdery material with an electron beam system at high acceleration voltages. In particular, the invention relates to a method for preheating a powdery material at high acceleration voltages and a method for melting a powdery material at high acceleration voltages.
Die Erfindung betrifft ferner eine Elektronenstrahlanlage zur Durchführung solcher Verfah ren zum Bearbeiten von pulverförmigem Werkstoff bei hohen Beschleunigungsspannun gen. The invention also relates to an electron beam system for carrying out such procedures for processing powdery material at high acceleration voltages.
2. Beschreibung des Standes der Technik 2. Description of the prior art
Additive Fertigungsverfahren charakterisieren sich durch Aneinanderfügen von Volumen- elementen zu einer dreidimensionalen Struktur, insbesondere durch einen schichtweisen Aufbau. Dabei kommen unter anderem Verfahren zur Anwendung, bei welchen mit einem Energiestrahl ein pulverförmiger Werkstoff in einem Pulverbett durch selektives Ver schmelzen der einzelnen Pulverpartikel Punkt für Punkt und Schicht für Schicht zu einer 3D-Struktur verbunden wird. Das Verfestigen des Werkstoffs kann durch Versintern der Pulverpartikel oder vollständigem Aufschmelzen der Pulverpartikel mittels Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen erfolgen. Additive manufacturing processes are characterized by the joining together of volume elements to form a three-dimensional structure, in particular by a layered structure. Among other things, methods are used in which an energy beam is used to combine a powdery material in a powder bed by selective melting of the individual powder particles point by point and layer by layer to form a 3D structure. The material can be solidified by sintering the powder particles or by completely melting the powder particles by means of laser beams or electron beams.
Die Verarbeitung von Metallpulver durch selektives Elektronenstrahlschmelzen (selective electron beam melting; SEBM) erlaubt die Fertigung komplexer Geometrien und Struktu ren mit schneller und präziser Manipulierbarkeit und hohem Grad an Automatisierung. Allerdings verursacht das Bearbeiten des pulverförmigen Werkstoffs mit Elektronenstrah len eine örtlich und zeitlich begrenzte elektrostatische Aufladung des belichteten Pulver- betts, da beispielweise Metallpulverpartikel häufig von einer Oxidschicht umgeben sind, welche geringer leitfähig ist. Daher kann sich auch ein Metallpulverpartikel, obwohl er in seinem Inneren leitfähig ist, beim Eintreffen des Elektronenstrahls elektrisch aufladen. The processing of metal powder by selective electron beam melting (SEBM) allows the production of complex geometries and structures with quick and precise manipulation and a high degree of automation. However, processing the powdery material with electron beams causes a locally and temporally limited electrostatic charge of the exposed powder. beds, as metal powder particles, for example, are often surrounded by an oxide layer, which is less conductive. Therefore, a metal powder particle, although it is conductive inside, can become electrically charged when the electron beam arrives.
Die Aufladung kann ein überkritisches Ausmaß erreichen und die im Auftreffbereich des Elektronenstrahls ruhenden Pulverpartikel kollektiv aus der Bearbeitungszone beschleuni gen, d.h. aus dem Pulverbett in andere Bereiche der Elektronenstrahlanlage verteilen, be vor der Verschmelzungsprozess eintritt. Dies führt zu Materialverlusten und Prozessabbrü- chen, da der Werkstoff noch vor dem Versintern aus dem Pulverbett ausgetrieben wird. The charge can reach a supercritical level and collectively accelerate the powder particles resting in the area of impact of the electron beam out of the processing zone, i.e. distribute them from the powder bed to other areas of the electron beam system before the fusion process occurs. This leads to material losses and process interruptions, since the material is expelled from the powder bed before sintering.
Um Störfälle und Materialverlust durch den Pulveraustrieb zu vermeiden, ist es nach aktu- ellem Stand der Technik bekannt, nachdem eine Schicht des pulverförmigen Werkstoffs aufgetragen wurde, diese vorzuheizen, um die einzelnen Pulverpartikel unter gegenüber dem Endprodukt geringerer Adhäsion miteinander zu verbinden. In order to avoid accidents and material loss due to powder expulsion, it is known according to the current state of the art, after a layer of the powdery material has been applied, to preheat it in order to bond the individual powder particles together with less adhesion compared to the end product.
Erst in einem zweiten Schritt werden dann die Pulverpartikel entlang der jeweils zu gene rierenden Konturschicht einer 3D-Struktur mit dem Elektronenstrahl soweit aufgeschmol- zen, dass eine für den späteren Verwendungszweck des Werkstücks ausreichende Stabili tät der 3D-Struktur zwischen den einzelnen Pulverpartikeln hergestellt wird. Only in a second step are the powder particles melted with the electron beam along the contour layer of a 3D structure to be generated so that the 3D structure between the individual powder particles is sufficiently stable for the later use of the workpiece.
Bekannte Verfahren dieser als Vorheizen zusammengefassten Prozesse umfassen das Er wärmen der aufgetragenen Pulverschicht mittels einer Heizplatte oder durch Belichten mit Elektronenstrahlen mit üblichen Beschleunigungsspannungen von ungefähr 60 kV. Ein weiteres effizientes Verfahren zum Vorheizen der Pulverschicht wird in WO Known methods of these processes, which are summarized as preheating, include the heating of the applied powder layer by means of a heating plate or by exposure to electron beams with normal acceleration voltages of approximately 60 kV. Another efficient method of preheating the powder layer is described in WO
2018/162261 A1 beschrieben, in welcher das Problem des elektrostatischen Pulveraustrags durch Anlegen eines alternierenden elektromagnetischen Feldes gelöst wird. 2018/162261 A1, in which the problem of electrostatic powder discharge is solved by applying an alternating electromagnetic field.
Die Nachteile dieser bekannten Verfahren zeigen sich in der notwendigen Prozesszeit für das Aufheizen des Pulverbetts, da das Aufheizen insbesondere für jede einzelne aufgetra- gene Pulverschicht erneut zu erfolgen hat und der teilweise unzureichenden Vermeidung des elektrostatischen Pulveraustrags. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG The disadvantages of these known methods are evident in the process time required for heating up the powder bed, since the heating has to be carried out again in particular for each individual powder layer applied and the in some cases inadequate avoidance of electrostatic powder discharge. SUMMARY OF THE INVENTION
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Verfahren zur Bearbeitung eines pulverförmigen Werkstoffs anzugeben, welche das Problem des elektrostatischen Pulveraustrags des pul verförmigen Werkstoffs bei der Bearbeitung mit dem Elektronenstrahl besser lösen. Auf gabe der Erfindung ist es ferner, eine entsprechende Elektronenstrahlanlage zum Bearbei- ten des pulverförmigen Werkstoffs anzugeben. The object of the invention is therefore to provide methods for processing a powdery material which better solve the problem of electrostatic powder discharge of the powdery material during processing with the electron beam. Another object of the invention is to provide a corresponding electron beam system for processing the powdery material.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Bearbeiten eines pulverför migen Werkstoffs gelöst, welches folgende Schritte umfasst: a1) Bereitstellen einer Elektronenstrahlanlage umfassend eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Pulverbetts aus dem zu bearbeiten- den pulverförmigen Werkstoff, und einen Elektronenstrahlerzeuger, der dazu eingerichtet ist, einen Elektronen strahl auf lateral unterschiedliche Orte des Pulverbettes zu richten b1) Aufbringen einer Pulverschicht auf ein Substrat c1) Vorheizen des pulverförmigen Werkstoffs mit dem Elektronenstrahl wobei der Elektronenstrahl in Schritt c1) mit einer Beschleunigungsspannung von 90 kV oder größer betrieben wird. According to the invention, this object is achieved by a method for processing a pulverulent material which comprises the following steps: a1) providing an electron beam system comprising a device for receiving a powder bed from the pulverulent material to be processed, and an electron beam generator which is set up to directing an electron beam to laterally different locations of the powder bed b1) applying a powder layer to a substrate c1) preheating the powdery material with the electron beam, the electron beam being operated in step c1) with an acceleration voltage of 90 kV or greater.
Bekannte Elektronenstrahlbearbeitungsprozesse und auch mittels des Elektronenstrahls durchgeführte Vorheizprozesse werden üblicherweise bei Beschleunigungsspannungen von ungefähr 60 kV durchgeführt, da oberhalb dieses Hochspannungswerts harte Rönt genstrahlen auftreten, die von üblichen Elektronenstrahlgeräten nicht abgeschirmt wer den. Die Erfinder haben nun erkannt, dass durch die Erhöhung der Beschleunigungsspan nung auf 90 kV oder größer bei gleichem Leistungseintrag für das Vorheizen durch den Elektronenstrahl ein geringerer Strahlstrom gewählt werden kann. Dadurch wird pro Zeit- einheit eine geringere Anzahl an Ladungsträgern in den Werkstoff eingetragenen, wodurch eine geringere elektrostatische Aufladung auftritt. Folglich kann die Temperatur für ein Vorschmelzen der Pulverpartikel bei einer geringeren elektrostatischen Aufladung erreicht werden. Ferner bewirkt die höhere Beschleunigungsspannung eine erhöhte Ein dringtiefe und somit eine Verteilung der Elektronen auf ein größeres Volumen im Werk- Stoff. Known electron beam machining processes and also preheating processes carried out by means of the electron beam are usually carried out at acceleration voltages of about 60 kV, since above this high voltage value hard X-rays occur that are not shielded by conventional electron beam devices. The inventors have now recognized that by increasing the acceleration voltage to 90 kV or greater with the same power input for preheating by the electron beam, a lower beam current can be selected. This means that a smaller number of charge carriers is entered in the material per unit of time, as a result, there is less electrostatic charge. As a result, the temperature for premelting the powder particles can be reached with less electrostatic charge. Furthermore, the higher acceleration voltage causes an increased penetration depth and thus a distribution of the electrons over a larger volume in the material.
Das erfindungsgemäße Verfahren löst das beschriebene Problem des elektrostatischen Pulveraustriebs somit dahingehend, dass durch den Vorheizschritt eine Veränderung des Energiehaushalts im pulverförmigen Werkstoff z.B. durch Sintern eintritt. Bei gegenüber bisherigen Vorheizverfahren gleichbleibendem Strahlstrom können hingegen durch die Er- höhung der Beschleunigungsspannung deutlich geringere Belichtungszeiten erzielt wer den und in Folge die Prozesszeit verkürzt werden, ohne dass der elektrostatische Pul- veraustrag erhöht wird. Zusätzlich haben die Erfinder erkannt, dass höhere Beschleuni gungsspannungen bei konstantem Strahlstrom zu einer deutlichen Verbesserung der Pro zessstabilität durch verminderten elektrostatischen Pulveraustrag führen. Da sich die für die elektrostatische Pulverbettaufladung bestimmenden Größen aus der lo kalen Stromdichte sowie der Beschaffenheit des Pulvers ableiten lassen, kann man die Werte für die Beschleunigungsspannung und den Strahlstrom anhand einer Formel ablei ten. In diese Formel können solche Parameter wie beispielsweise die Temperatur des Pul verbetts, der Druck im Elektronenstrahlgerät oder ein Materialeigenschaftsparameter wie Schmelztemperatur, Wärmekapazität oder Leitfähigkeit des Pulvermaterials einfließen. The method according to the invention thus solves the described problem of electrostatic powder expulsion to the effect that the preheating step results in a change in the energy balance in the powdery material, e.g. due to sintering. With the jet current remaining the same compared to previous preheating methods, however, significantly shorter exposure times can be achieved by increasing the acceleration voltage and, as a result, the process time can be shortened without increasing the electrostatic powder discharge. In addition, the inventors have recognized that higher acceleration voltages with a constant beam current lead to a significant improvement in process stability due to reduced electrostatic powder discharge. Since the variables that determine electrostatic powder bed charging can be derived from the local current density and the properties of the powder, the values for the acceleration voltage and the beam current can be derived from a formula. In this formula, parameters such as the temperature of the powder can be derived verbetts, the pressure in the electron beam device or a material property parameter such as melting temperature, heat capacity or conductivity of the powder material are included.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren den Schritt d1) Schmelzen mit dem Elektronenstrahl von zumindest einem Teil der Pulverschicht. The method preferably comprises the step d1) melting with the electron beam of at least part of the powder layer.
Vorzugsweise beträgt die Beschleunigungsspannung im erfindungsgemäßen Verfahren 90 kV bis 150 kV, insbesondere 100 kV oder größer, bevorzugt 120 kV oder größer. Vorzugsweise beträgt die Strahlleistung mindestens 100 W und höchstens 100 kW. The acceleration voltage in the method according to the invention is preferably 90 kV to 150 kV, in particular 100 kV or greater, preferably 120 kV or greater. The beam power is preferably at least 100 W and at most 100 kW.
Vorzugsweise umfasst der pulverförmige Werkstoff Titan, Kupfer, Nickel, Aluminium und/oder Legierungen davon, insbesondere Ti-6AI-4V, eine Legierung umfassend Titan, 6 Gew.-% Aluminium und 4 Gew.-% Vanadium. Vorzugsweise weist der pulverförmige Werkstoff eine mittlere Korngröße D50 von 10 pm bis 150 pm auf. The powdery material preferably comprises titanium, copper, nickel, aluminum and / or alloys thereof, in particular Ti-6Al-4V, an alloy comprising titanium, 6% by weight of aluminum and 4% by weight of vanadium. The powdery material preferably has an average grain size D50 of 10 μm to 150 μm.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein weiteres Verfahren zum Bearbeiten eines pulverförmigen Werkstoffs gelöst, welches folgende Schritte umfasst: a2) Bereitstellen einer Elektronenstrahlanlage (1) umfassend eine Vorrichtung (6) zur Aufnahme eines Pulverbetts (7) aus dem zu bear beitenden pulverförmigen Werkstoff (12), und einen Elektronenstrahlerzeuger (3), der dazu eingerichtet ist, einen Elektronenstrahl (4) auf lateral unterschiedliche Orte des Pulverbettes (7) zu richten; b2) Aufbringen einer Pulverschicht (9) auf ein Substrat (10); c2) Schmelzen von zumindest einem Teil des pulverförmigen Werkstoffs (12) mit dem Elektronenstrahl (4); wobei der Elektronenstrahl (4) in Schritt c2) mit einer Beschleunigungsspannung von 90 kV oder größer betrieben wird; und zwischen Schritt b1) und Schritt c1) kein Vorheizen der Pulverschicht (9) erfolgt. According to the invention, the object is achieved by a further method for processing a powdery material, which comprises the following steps: a2) Providing an electron beam system (1) comprising a device (6) for receiving a powder bed (7) from the powdery material (12) to be processed ), and an electron beam generator (3) which is set up to direct an electron beam (4) onto laterally different locations of the powder bed (7); b2) applying a powder layer (9) to a substrate (10); c2) melting at least part of the pulverulent material (12) with the electron beam (4); wherein the electron beam (4) is operated in step c2) with an acceleration voltage of 90 kV or greater; and no preheating of the powder layer (9) takes place between step b1) and step c1).
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Verbesserungen kann durch dieses Verfahren die Prozesszeit noch weiter reduziert werden, da durch das vollständige Weglassen des Vor heizschrittes und Betreiben des Elektronenstrahls bei 90 kV oder höher im Schmelzschritt die Prozesszeit zusätzlich reduziert werden. Wie beim zuvor beschriebenen Verfahren mit Vorheizschritt, wird in diesem Verfahren der Effekt der vergrößerten Eindringtiefe und der daraus resultierenden besseren Ladungsverteilung der Elektronen genutzt sowie der ver minderte Elektroneneintrag bei gleicher Leistung. In addition to the improvements described above, the process time can be reduced even further by this method, since the process time is additionally reduced by completely omitting the pre-heating step and operating the electron beam at 90 kV or higher in the melting step. As in the previously described process with a preheating step, this process uses the effect of the increased penetration depth and the resulting better charge distribution of the electrons, as well as the reduced electron entry with the same power.
Vorzugsweise beträgt die Beschleunigungsspannung im erfindungsgemäßen Verfahren 90 kV bis 150 kV, insbesondere 100 kV oder größer, bevorzugt 120 kV oder größer. Vorzugsweise beträgt die Strahlleistung mindestens 100 W und höchstens 100 kW. Vorzugsweise umfasst der pulverförmige Werkstoff Titan, Kupfer, Nickel, Aluminium und/oder Legierungen davon, insbesondere Ti-6AI-4V, eine Legierung umfassend Titan, 6 Gew.-% Aluminium und 4 Gew.-% Vanadium. The acceleration voltage in the method according to the invention is preferably 90 kV to 150 kV, in particular 100 kV or greater, preferably 120 kV or greater. The beam power is preferably at least 100 W and at most 100 kW. The powdery material preferably comprises titanium, copper, nickel, aluminum and / or alloys thereof, in particular Ti-6Al-4V, an alloy comprising titanium, 6% by weight of aluminum and 4% by weight of vanadium.
Vorzugsweise weist der pulverförmige Werkstoff eine mittlere Korngröße D50 von 10 pm bis 150 pm auf. The powdery material preferably has an average grain size D50 of 10 μm to 150 μm.
Im Hinblick auf die Elektronenstrahlanlage zur Bearbeitung von pulverförmigem Werkstoff mit einer Elektronenstrahlanlage umfasst die erfindungsgemäße Anlage eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Pulverbetts aus dem zu bearbeitenden pul verförmigen Werkstoff, und - einen Elektronenstrahlerzeuger, der dazu eingerichtet ist, einen Elektronenstrahl auf lateral unterschiedliche Orte des Pulverbettes zu richten, wobei die Elektronenstrahlanlage dazu ausgelegt ist, die erfindungsgemäßen Verfahren auszuführen. With regard to the electron beam system for processing powdery material with an electron beam system, the system according to the invention comprises a device for receiving a powder bed from the powdery material to be processed, and an electron beam generator which is set up to direct an electron beam to laterally different locations of the powder bed align, the electron beam system being designed to carry out the method according to the invention.
Vorzugsweise weist die Elektronenstrahlanlage dazu eine Röntgenabschirmung auf, die so ausgebildet ist, dass trotz einer Hochspannung von über 90kV, vorzugsweise über 100kV, insbesondere über 120 kV, die Röntgenstrahlung außerhalb der Elektronenstrahlanlage unterhalb einer festgelegten Grenze liegt. Diese Grenze muss insbesondere den Anforde rungen der Strahlenschutzverordnung genügen. The electron beam system preferably has X-ray shielding for this purpose, which is designed such that, despite a high voltage of over 90 kV, preferably over 100 kV, in particular over 120 kV, the x-ray radiation outside the electron beam system is below a specified limit. In particular, this limit must meet the requirements of the Radiation Protection Ordinance.
Die Erfinder haben somit erkannt, dass zur Erhöhung der Beschleunigungsspannung in die für die Erfindung relevanten Spannungsbereiche zusätzliche Maßnahmen zur Röntgenab schirmung getroffen werden müssen. Beispielweise ist ein Sichtfenster in den Innenraum der Elektronenstrahlanlage mit einer dickeren Abschirmschicht zu versehen oder sogar eine separate Abdeckung vorzusehen, welche das Sichtfenster im laufenden Betrieb ab deckt und deren Öffnen den Prozess beendet. Vorteilhaft kann die Elektronenstrahlanlage eine Steuereinheit umfassen, welche bei Ein gabe des zu verschmelzenden Pulvermaterials anhand einer hinterlegten Formel die Werte für die Beschleunigungsspannung U und den Strahlstrom I festlegt. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN The inventors have thus recognized that in order to increase the acceleration voltage in the voltage ranges relevant to the invention, additional measures for X-ray shielding must be taken. For example, a viewing window in the interior of the electron beam system is to be provided with a thicker shielding layer or even a separate cover is to be provided which covers the viewing window during operation and whose opening ends the process. The electron beam system can advantageously include a control unit which, when the powder material to be fused is entered, defines the values for the acceleration voltage U and the beam current I using a stored formula. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher er läutert. In dieser zeigt: An embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. In this shows:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Elektronenstrahlanlage mit einem Pulverbehältnis. FIG. 1 shows a perspective view of an electron beam system according to the invention with a powder container.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE Figur 1 zeigt eine Elektronenstrahlanlage 1 mit einem Vakuumgehäuse 2, in welchem eine Elektronenstrahlkanone 3 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 4 angeordnet ist. DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows an electron beam system 1 with a vacuum housing 2 in which an electron beam gun 3 for generating an electron beam 4 is arranged.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Elektronenstrahlkanone 3 mit einer optiona len Magnetoptikeinheit 5 oberhalb eines Hubtisches 6 mit einer Hubplatte und mit einem Aufnahmerahmen angeordnet, der als räumlich begrenztes Pulverbehältnis dient, welches ein Pulverbett 7 aus einem zu bearbeitenden pulverförmigen Werkstoff aufnimmt. In the present embodiment, the electron beam gun 3 is arranged with an optional optical magnet unit 5 above a lifting table 6 with a lifting plate and a receiving frame, which serves as a spatially limited powder container which receives a powder bed 7 made of a powdery material to be processed.
Oberhalb des Aufnahmerahmens ist dazu eine Pulverauftragvorrichtung 9 mit einer Rakel (nicht gezeigt) angeordnet, die über den Hubtisch bewegt werden kann. Die Pulverauf tragvorrichtung 9 weist einen nicht gezeigten Behälter für den pulverförmigen Werkstoff auf, aus welchem durch eine Verfahrbewegung jeweils als oberste lose Schicht 8 der Werk- Stoff auf dem Pulverbett 7 eben aufgerakelt werden kann. For this purpose, a powder application device 9 with a doctor blade (not shown), which can be moved over the lifting table, is arranged above the receiving frame. The powder application device 9 has a container, not shown, for the powdery material, from which the material on the powder bed 7 can be squeegeed as the top loose layer 8 by a movement.
Die relative Bewegung des Elektronenstrahls zum Pulverbett 7 kann durch Ablenkung des Elektronenstrahls in der Ablenkvorrichtung 5 erfolgen, oder durch Einrichten des Hubti sches. The relative movement of the electron beam to the powder bed 7 can be done by deflecting the electron beam in the deflection device 5, or by setting up the Hubti cal.
Im Pulverbett befindet sich eine Grundplatte 10, auf welcher Schicht für Schicht das Bauteil 1 1 ausgebildet ist. In the powder bed there is a base plate 10, on which the component 11 is formed layer by layer.
Bauteile, die mit den erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Anlage gefertigt werden, finden unter anderem in der Luft- und Raumfahrt als Turbinenschaufeln, Pumpenräder und Getriebehalterungen in Helikoptern; in der Automobilindustrie als Tur boladerräder sowie Radspeichen; in der Medizi ntechnik als orthopädische Implantate und Prothesen; als Wärmetauscher und im Werkzeug- und Formenbau Anwendung. Components that are manufactured with the method according to the invention and the system according to the invention can be found in the aerospace industry as turbine blades, Pump wheels and gear mounts in helicopters; in the automotive industry as turbo charger wheels and wheel spokes; in medical technology as orthopedic implants and prostheses; as a heat exchanger and in tool and mold making applications.
Der erfindungsgemäße pulverförmige Werkstoff umfasst alle elektrisch leitfähigen, für das Elektronenstrahlverfahren geeigneten Materialien. Bevorzugte Beispiele sind metallische oder keramische Werkstoffe, insbesondere Titan, Kupfer, Nickel, Aluminium und Legierun gen davon wie z.B. Ti-6AI-4V, eine Legierung bestehend aus Titan, 6 wt% Aluminium und 4 wt% Vanadium, AISil OMg und Titanaluminide (TiAl). The powdery material according to the invention includes all electrically conductive materials suitable for the electron beam method. Preferred examples are metallic or ceramic materials, in particular titanium, copper, nickel, aluminum and alloys thereof such as Ti-6AI-4V, an alloy consisting of titanium, 6 wt% aluminum and 4 wt% vanadium, AISil OMg and titanium aluminide (TiAl ).
Weitere beispielhafte erfindungsgemäße Werkstoffe sind Nickelbasis-Legierungen wie z.B. NiCr19NbMo, Eisen und Eisenlegierungen, insbesondere Stähle wie Werkzeugstahl und rostfreier Stahl, Kupfer und Legierungen davon, Refraktärmetalle, insbesondere Niob, Mo lybdän, Wolfram und Legierungen davon, Edelmetalle, insbesondere Gold, Magnesium und Legierungen davon, Kobaltbasis-Legierungen wie z.B. CoCrMo, Hochentropielegierun gen wie z.B. AICoCrFeNi und CoCrFeNiTi, sowie Formgedächtnislegierungen. Vorzugsweise weist der pulverförmige Werkstoff eine mittlere Korngröße D50 von 10 pm bis 150 pm auf. Further exemplary materials according to the invention are nickel-based alloys such as NiCr19NbMo, iron and iron alloys, in particular steels such as tool steel and stainless steel, copper and alloys thereof, refractory metals, in particular niobium, molybdenum, tungsten and alloys thereof, precious metals, in particular gold, magnesium and alloys of these, cobalt-based alloys such as CoCrMo, high-entropy alloys such as AICoCrFeNi and CoCrFeNiTi, as well as shape memory alloys. The powdery material preferably has an average grain size D50 of 10 μm to 150 μm.
Erfindungsgemäß beträgt die Beschleunigungsspannung im Vorheizschritt und/oder im Schmelzschritt 90 kV oder mehr. Den beobachteten Effekten liegt die Formel zur Berech nung der elektrischen Leistung P = UaCc · I zugrunde, wobei UaCc für die Beschleunigungs- Spannung und I für den Strahlstrom steht. According to the invention, the acceleration voltage in the preheating step and / or in the melting step is 90 kV or more. The observed effects are based on the formula for calculating the electrical power P = U aCc · I, where U aCc stands for the acceleration voltage and I for the beam current.
Demzufolge bedingt bei gleichbleibendem Strahlstrom eine höhere Beschleunigungsspan nung einen höheren Energieeintrag und damit eine Reduktion der Prozesszeit, da eine vorgegebene Temperatur schneller erreicht werden kann. Alternativ dazu können höhere Bautemperaturen bei gleicher Belichtungszeit realisiert werden. Bei gleichbleibendem Energieeintrag, d.h. der Strahlstrom wird proportional zur erhöhten Beschleunigungsspannung vermindert, kann eine wesentliche Erhöhung der Prozessstabili tät beobachtet werden. Die Anzahl der Ladungsträger verringert sich gemäß P = Uacc · I nä- herungsweise reziprok proportional zur Erhöhung der Beschleunigungsspannung. Die ge ringere Anzahl an eingetragenen Ladungsträgern führt zu geringerem elektrostatischem Pulveraustrag bei gleicher Belichtungszeit. As a result, with a constant beam current, a higher acceleration voltage results in a higher energy input and thus a reduction in the process time, since a given temperature can be reached more quickly. Alternatively, higher building temperatures can be achieved with the same exposure time. With constant energy input, ie the beam current is reduced proportionally to the increased acceleration voltage, a significant increase in the process stability can be observed. The number of charge carriers decreases according to P = U acc I next- approximately reciprocally proportional to the increase in the acceleration voltage. The lower number of charged carriers leads to lower electrostatic powder discharge with the same exposure time.
Die Erhöhung der Beschleunigungsspannung bewirkt eine größere Eindringtiefe der Elekt- ronen in den pulverförmigen Werkstoff. Einflussgrößen auf die maximale Eindringtiefe der Elektronen in die Materie sind neben der Beschleunigungsspannung unter anderem Mate rialkennwerte wie Dichte, Atommasse und Kernladungszahl. Es ist bekannt, dass die Ein dringtiefe in Titan bei 60 kV bei maximal etwa 15 pm, bei 90 kV bei maximal etwa 30 pm und bei 150 kV bei maximal etwa 70 pm liegt. Durch die erhöhte Beschleunigungsspannung wird die eingetragene Energie auf ein grö ßeres Volumen im Pulverbett verteilt und in Folge die Neigung zur Ausbildung von lokalen Temperaturspitzen und somit Anschmelzungen bereits während des Vorheizschrittes ver ringert. Dies führt zu gesteigerter Qualität des Restpulvers und effektiv höheren Recycling graden des Werkstoffs. Die maximale Strahlleistung von 100 kW berücksichtigt den Umstand, dass im Wechselwir kungsvolumen zwischen Elektronen und dem zu bearbeitenden pulverförmigem Werkstoff das Material bei typischen Strahlparametern in den schmelzflüssigen Zustand überführt werden kann, ohne dass durch Überhitzung bedingte unerwünschte Effekte wie Verdamp fung des Werkstoffs auftreten. Die Berechnungsgrundlage bildet die materialspezifische, für das Aufheizen und Schmelzen aufzuwendende Energie und das Wechselwirkungsvolu men, welches eine Funktion der Beschleunigungsspannung und der vom Elektronenstrahl belichteten Fläche ist. The increase in the acceleration voltage causes the electrons to penetrate more deeply into the powdery material. In addition to the acceleration voltage, factors influencing the maximum depth of penetration of the electrons into matter include material parameters such as density, atomic mass and atomic number. It is known that the penetration depth in titanium at 60 kV is a maximum of about 15 pm, at 90 kV a maximum of about 30 pm and at 150 kV a maximum of about 70 pm. As a result of the increased acceleration voltage, the energy introduced is distributed over a larger volume in the powder bed and, as a result, the tendency to develop local temperature peaks and thus fusing is reduced during the preheating step. This leads to an increased quality of the residual powder and effectively higher degrees of recycling of the material. The maximum beam power of 100 kW takes into account the fact that in the interaction volume between electrons and the powdery material to be processed, the material can be converted into the molten state with typical beam parameters without undesirable effects such as evaporation of the material caused by overheating. The calculation basis is the material-specific energy to be used for heating and melting and the interaction volume, which is a function of the acceleration voltage and the area exposed by the electron beam.
Verfahren bei erhöhten Beschleunigungsspannungen mit Vorheizen: Procedure for increased acceleration voltages with preheating:
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst mit der Pulverauftragvorrichtung 9 die oberste lose Schicht 8 aus pulverförmigem Werkstoff auf ein Substrat aufgetragen. Als Substrat kann je nach Verfahrensstufe die Grundplatte 10 oder das Pulverbett 7 betrachtet werden, sowie in späteren Verfahrensstufen das Bauteil 1 1. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Vorheizschritt. Hierfür wird die oberste lose Schicht 8 mit dem Elektronenstrahl 4 belichtet. Die Beschleu nigungsspannung des Elektronenstrahls 4 beträgt mindestens 90 kV. In bevorzugten Aus führungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die Beschleunigungsspan- nung zwischen 90 und 150 kV, besonders bevorzugt sind Beschleunigungsspannungen von 100 kV und 120 kV. In the method according to the invention, the uppermost loose layer 8 of powdery material is first applied to a substrate with the powder application device 9. Depending on the process stage, the base plate 10 or the powder bed 7 can be considered as the substrate, as well as the component 11 in later process stages. In one embodiment of the method according to the invention, a preheating step takes place. For this purpose, the uppermost loose layer 8 is exposed to the electron beam 4. The acceleration voltage of the electron beam 4 is at least 90 kV. In preferred embodiments of the method according to the invention, the acceleration voltage is between 90 and 150 kV, acceleration voltages of 100 kV and 120 kV are particularly preferred.
Die Strahlparameter werden entsprechend der Qualität des pulverförmigen Werkstoffs ge wählt. Typischerweise wird ein Strahlstrom zwischen mindestens 100 W und höchstens 100 kW eingestellt. Die Scangeschwindigkeit beträgt mindestens 1 m/s und höchstens 1000 m/s. The beam parameters are selected according to the quality of the powdery material. Typically, a beam current between at least 100 W and at most 100 kW is set. The scanning speed is at least 1 m / s and at most 1000 m / s.
Im Vorheizschritt wird die lose Schicht 8 durch Diffusionsprozesse an den Kornoberflächen miteinander verbunden. Dies führt zu einer Reduktion des Kontaktwiderstands zwischen den einzelnen Pulverpartikeln 12 in der Schicht 8 und in Folge zu einer höheren elektri schen Leitfähigkeit an der Oberfläche des Pulverbetts. Dadurch kann die durch den Elekt- ronenstrahl eingetragene Ladung besser abgeleitet werden und elektrostatischer Pul- veraustrag vermieden werden. In the preheating step, the loose layer 8 is connected to one another by diffusion processes on the grain surfaces. This leads to a reduction in the contact resistance between the individual powder particles 12 in the layer 8 and consequently to a higher electrical conductivity on the surface of the powder bed. In this way, the charge introduced by the electron beam can be better dissipated and electrostatic powder discharge can be avoided.
Anschließend findet der Schmelzschritt statt. Dabei wird mit der Elektronenstrahlkanone 3 durch Schmelzen der Pulverpartikel 12 an durch die zu erzeugende 3D-Struktur vorgege benen Stellen des präparierten Pulverbetts 7 bzw. dessen oberste lose Schicht 8 eine feste Verbindung erzeugt. The melting step then takes place. In this case, with the electron beam gun 3, by melting the powder particles 12 at points of the prepared powder bed 7 or its uppermost loose layer 8, which are provided by the 3D structure to be generated, a firm connection is created.
Die oben beschriebenen Schritte werden jeweils Schicht um Schicht wiederholt, bis die 3D- Struktur beendet ist. The steps described above are repeated layer by layer until the 3D structure is completed.
Verfahren bei erhöhten Beschleunigungsspannungen ohne Vorheizen: Procedure for increased acceleration voltages without preheating:
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bearbeiten eines pulverförmigen Werk- Stoffs ohne zusätzlichen Vorheizschritt. The invention also relates to a method for processing a powdery material without an additional preheating step.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird mit der Pulverauftragvorrichtung 8 die oberste lose Schicht 8 aus pulverförmigem Werkstoff auf ein Substrat aufgetragen. Als Substrat kann je nach Verfahrensstufe die Grundplatte 10 oder das Pulverbett 7 betrachtet werden, sowie in späteren Verfahrensstufen das Bauteil 1 1. In the method according to the invention, the uppermost loose layer 8 of powdery material is applied to a substrate with the powder application device 8. As a substrate can ever After the process stage, the base plate 10 or the powder bed 7 can be viewed, as well as the component 11 in later process stages.
Anschließend wird mit der Elektronenstrahlkanone 3 durch Schmelzen der Pulverpartikel 12 an durch die zu erzeugende 3D-Struktur vorgegebenen Stellen des präparierten Pulver- betts 12 bzw. dessen obersten losen Schicht 8 ein feste Verbindung erzeugt. Then, with the electron beam gun 3, a firm connection is created by melting the powder particles 12 at points of the prepared powder bed 12 or its uppermost loose layer 8 predetermined by the 3D structure to be created.
Die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls 4 beträgt mindestens 90 kV. In be vorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die Beschleuni gungsspannung zwischen 90 und 150 kV. Bevorzugte Beispiele sind Beschleunigungsspan nungen von 100 kV und 120 kV. Die oben beschriebenen Schritte werden jeweils Schicht um Schicht wiederholt, bis die 3D- Struktur beendet ist. The acceleration voltage of the electron beam 4 is at least 90 kV. In preferred embodiments of the method according to the invention, the acceleration voltage is between 90 and 150 kV. Preferred examples are acceleration voltages of 100 kV and 120 kV. The steps described above are repeated layer by layer until the 3D structure is completed.
Zusammengefasst zeigt sich der Erfindungsgedanke also vorzugsweise in einem Verfahren zur additiven Herstellung mit einem Elektronenstrahl, bei dem beim Vorheizen und/oder Schmelzen eine Beschleunigungsspannung zwischen 90 kV bis 160 kV, insbesondere 100 kV oder größer, bevorzugt 120 kV oder größer, nochmals bevorzugt größer als 120 kV, nochmals bevorzugt zwischen 135 kV und 160 kV, verwendet wird. In summary, the idea of the invention is thus preferably shown in a method for additive manufacturing with an electron beam, in which an acceleration voltage between 90 kV to 160 kV, in particular 100 kV or greater, preferably 120 kV or greater, again preferably greater than, during preheating and / or melting 120 kV, again preferably between 135 kV and 160 kV, is used.
Referenzzeichen Reference sign
1 Elektronenstrahlanlage 1 electron beam system
2 Vakuumgehäuse 2 vacuum housing
3 Elektronenstrahlkanone 3 electron beam cannon
4 Elektronenstrahl 4 electron beam
5 Magnetoptikeinheit 5 magnetic optical unit
6 Hubtisch 6 lifting table
7 Pulverbett 7 powder bed
8 Oberste lose Schicht 8 Top loose layer
9 Pulverauftragvorrichtung 9 Powder application device
10 Grundplatte 10 base plate
1 1 Bauteil 1 1 component
12 Pulverpartikel, pulverförmiger Werkstoff 12 powder particles, powdery material

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1. Verfahren zum Bearbeiten eines pulverförmigen Werkstoffs (12) umfassend folgende Schritte: a 1 ) Bereitstellen einer Elektronenstrahlanlage (1) umfassend eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Pulverbetts (7) aus dem zu bearbeiten- den pulverförmigen Werkstoff (12), und einen Elektronenstrahlerzeuger (3), der dazu eingerichtet ist, einen Elektro nenstrahl (4) auf lateral unterschiedliche Orte des Pulverbetts (7) zu richten; b1 ) Aufbringen einer Pulverschicht (8); c1 ) Vorheizen des pulverförmigen Werkstoffs (12) der Pulverschicht (8) mit dem Elektronenstrahl (4); dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahl (4) in Schritt c1 ) mit einer Beschleunigungsspannung von 90 kV oder größer betrieben wird. 1. A method for processing a powdery material (12) comprising the following steps: a 1) providing an electron beam system (1) comprising a device for receiving a powder bed (7) made of the powdery material (12) to be processed, and an electron beam generator ( 3), which is set up to direct an electron beam (4) to laterally different locations of the powder bed (7); b1) application of a powder layer (8); c1) preheating the powdery material (12) of the powder layer (8) with the electron beam (4); characterized in that the electron beam (4) is operated in step c1) with an acceleration voltage of 90 kV or greater.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , umfassend den Schritt d 1 ) Schmelzen von zumindest einem Teil der Pulverschicht (8) mit dem Elektro nenstrahl (4). 2. The method according to claim 1, comprising the step d 1) melting at least part of the powder layer (8) with the electron beam (4).
3. Verfahren zum Bearbeiten eines pulverförmigen Werkstoffs umfassend folgende Schritte: a2) Bereitstellen einer Elektronenstrahlanlage (1 ) umfassend eine Vorrichtung (6) zur Aufnahme eines Pulverbetts (7) aus dem zu bearbei tenden pulverförmigen Werkstoff (12), und einen Elektronenstrahlerzeuger (3), der dazu eingerichtet ist, einen Elektro nenstrahl (4) auf lateral unterschiedliche Orte des Pulverbettes (7) zu richten; b2) Aufbringen einer Pulverschicht (8); c2) Schmelzen von zumindest einem Teil der Pulverschicht (8) mit dem Elektronen- strahl (4); dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahl (4) in Schritt c) mit einer Beschleunigungsspannung von 90 kV o- der größer betrieben wird; und zwischen Schritt b2) und Schritt c2) kein Vorheizen der Pulverschicht (8) erfolgt. 3. A method for processing a powdery material comprising the following steps: a2) providing an electron beam system (1) comprising a device (6) for receiving a powder bed (7) from the powdery material (12) to be machined, and an electron gun (3) which is set up to direct an electron beam (4) to laterally different locations of the powder bed (7); b2) applying a powder layer (8); c2) melting at least part of the powder layer (8) with the electron beam (4); characterized in that the electron beam (4) is operated in step c) with an acceleration voltage of 90 kV or greater; and no preheating of the powder layer (8) takes place between step b2) and step c2).
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Elektronenstrahl in Schritt c) mit einer Beschleunigungsspannung von 90 kV bis 150 kV betrieben wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the electron beam is operated in step c) with an acceleration voltage of 90 kV to 150 kV.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der pulverförmige Werk stoff Titan, Kupfer, Nickel, Aluminium und/oder Legierungen davon umfasst. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the powdery material comprises titanium, copper, nickel, aluminum and / or alloys thereof.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Elektronenstrahl mit einer Beschleunigungsspannung von 100 kV oder größer betrieben wird. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the electron beam is operated with an acceleration voltage of 100 kV or greater.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Elektronenstrahl mit einer Beschleunigungsspannung von 120 kV oder größer betrieben wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the electron beam is operated with an acceleration voltage of 120 kV or greater.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Elektronenstrahl mit einer Beschleunigungsspannung von mehr als 120 kV betrieben wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the electron beam is operated with an acceleration voltage of more than 120 kV.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der pulverförmige Werk stoff eine mittlere Korngröße D50 von 10 pm bis 150 pm aufweist. 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the powdery material has an average grain size D50 of 10 pm to 150 pm.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Strahlleistung des Elektronenstrahls (4) mindestens 100 W und höchstens 100 kW beträgt. 10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the beam power of the electron beam (4) is at least 100 W and at most 100 kW.
1 1. Elektronenstrahlanlage (1) zur Bearbeitung eines pulverförmigen Werkstoffs (12), um fassend a) eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Pulverbetts (7) aus dem zu bearbeitenden pulverförmigen Werkstoff (12), und b) einen Elektronenstrahlerzeuger (3), der dazu eingerichtet ist, einen Elektronen strahl (4) auf lateral unterschiedliche Orte des Pulverbetts (7) zu richten, dadurch gekennzeichnet, dass c) die Elektronenstrahlanlage (1) dazu ausgelegt ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen. 1 1. Electron beam system (1) for processing a powdery material (12), comprising a) a device for receiving a powder bed (7) from the powdery material to be processed (12), and b) an electron beam generator (3), which for this purpose is set up to direct an electron beam (4) to laterally different locations of the powder bed (7), characterized in that c) the electron beam system (1) is designed to carry out the method according to one of claims 1 to 10.
EP20750223.8A 2019-07-30 2020-07-29 Method and electron beam equipment for processing powdered materials at high acceleration voltages Pending EP4003624A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019120570.0A DE102019120570A1 (en) 2019-07-30 2019-07-30 PROCESS AND ELECTRON BEAM SYSTEM FOR THE PROCESSING OF POWDERED MATERIALS AT HIGH ACCELERATION VOLTAGES
PCT/EP2020/071433 WO2021018980A1 (en) 2019-07-30 2020-07-29 Method and electron beam equipment for processing powdered materials at high acceleration voltages

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4003624A1 true EP4003624A1 (en) 2022-06-01

Family

ID=71899737

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP20750223.8A Pending EP4003624A1 (en) 2019-07-30 2020-07-29 Method and electron beam equipment for processing powdered materials at high acceleration voltages

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20220314326A1 (en)
EP (1) EP4003624A1 (en)
JP (1) JP2022543047A (en)
CN (1) CN114423544B (en)
DE (1) DE102019120570A1 (en)
WO (1) WO2021018980A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024003264A1 (en) * 2022-07-01 2024-01-04 Freemelt Ab Additive manufacturing using a particle beam

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2998496B1 (en) * 2012-11-27 2021-01-29 Association Pour La Rech Et Le Developpement De Methodes Et Processus Industriels Armines ADDITIVE MANUFACTURING PROCESS OF A PART BY SELECTIVE FUSION OR SELECTIVE SINTING OF BEDS OF POWDER WITH COMPACITY OPTIMIZED BY A HIGH ENERGY BEAM
US9505057B2 (en) * 2013-09-06 2016-11-29 Arcam Ab Powder distribution in additive manufacturing of three-dimensional articles
ES2571077B1 (en) * 2014-11-20 2017-02-13 Gh Electrotermia, S.A. Magnetic inductor and manufacturing method
US10610930B2 (en) * 2015-11-18 2020-04-07 Arcam Ab Additive manufacturing of three-dimensional articles
US20180147655A1 (en) * 2016-11-30 2018-05-31 Arcam Ab Additive manufacturing of three-dimensional articles
DE102017105193A1 (en) * 2017-03-10 2018-09-13 Pro-Beam Ag & Co. Kgaa Electron beam system and method for processing powdery material
EP4249255A3 (en) * 2017-05-18 2023-11-08 Honeywell Federal Manufacturing & Technologies, LLC Device for controlling additive manufacturing machinery
US20190099809A1 (en) * 2017-09-29 2019-04-04 Arcam Ab Method and apparatus for additive manufacturing
US10529070B2 (en) * 2017-11-10 2020-01-07 Arcam Ab Method and apparatus for detecting electron beam source filament wear

Also Published As

Publication number Publication date
CN114423544B (en) 2024-07-26
JP2022543047A (en) 2022-10-07
DE102019120570A1 (en) 2021-02-04
CN114423544A (en) 2022-04-29
WO2021018980A1 (en) 2021-02-04
US20220314326A1 (en) 2022-10-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2794152B1 (en) Method for manufacturing a compact component, and component that can be produced by means of the method
DE102010046468B4 (en) Generative manufacturing process and powder for this purpose
DE2528999C2 (en) Process and device for the production of high-purity metal powder by means of electron beam heating
DE102016208196B4 (en) Method for the generative production of three-dimensional composite components
EP2990141B1 (en) Method for producing TiAl components
DE112009000504T5 (en) Tools with work surfaces of compacted powder metal and process
AT14301U1 (en) Method for producing a component
WO2017178194A1 (en) Preliminary product for the production of three-dimensional workpieces that can be produced by means of hot isostatic pressing, and a production process
DE102010018303A1 (en) Melting process for producing an inclusion-free Ta base alloy
AT14991U1 (en) X-ray anode
WO2018132854A1 (en) Method for additive manufacturing
EP0874385B1 (en) Method of manufacturing an anode for x-ray tubes
WO2012022297A2 (en) Method for connecting a turbine blade or vane to a turbine disc or to a turbine ring
EP4003624A1 (en) Method and electron beam equipment for processing powdered materials at high acceleration voltages
DE3421488A1 (en) METHOD FOR PRODUCING ALLOY POWDER AND DEVICE FOR CARRYING OUT THE METHOD
EP3570973B1 (en) Additive manufacturing process
WO2015055361A1 (en) Electron-beam melting method and electron-beam arrangement
WO2014044431A1 (en) Production of a refractory metal component
EP2343143A2 (en) Method for producing components from refractory metals
DE102018214626A1 (en) Additive manufacturing process for producing a metal-containing object
EP3718729B1 (en) Production method with additive component manufacture and finishing
DE4132118C1 (en) Anode for X=ray tube - comprises graphite body brazed to molybdenum@-tungsten@ alloy target having iron@-tungsten@ alloy coating
AT397005B (en) METHOD FOR PRODUCING AN X-RAY ROTARY ANODE
EP3572539A1 (en) Method for generating a nbti alloy
DE102020129971A1 (en) 3D printing - cooling structures

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20220128

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20231012