JP2020514541A - 電子ビーム設備及び粉末状物質を加工する方法 - Google Patents

Abstract

粉末状物質を加工するために使用される電子ビーム設備（１０）は、粉末容器（１８、１９、２０）を有し、その粉末容器は加工すべき粉末状物質からなる粉末床（２２）を収容することができる。更に、電子ビーム発生器（１４）を有し、その電子ビーム発生器は、粉末床（２２）の横方向の様々な場所へ電子ビーム（１６）を方向付けできるように構成されている。電子ビームによって加工する場合に、粉末状物質の吹き飛ばしを減少させるために、電子ビーム設備（１４）はフリット装置（３４、３５）を有しており、そのフリット装置は、少なくとも２つの電極（１９、３０、３１）の間に交流電圧を印加することによって少なくとも粉末床（２２）の上の領域で電磁的な交番場を発生させ、その交番場が粉末床（２２）の粉末状物質を結合する。

Description

本発明は、粉末状物質を加工するために使用される、電子ビーム設備に関するものであって、
ａ）加工すべき粉末状物質からなる粉末床を収容することができる粉末容器と、
ｂ）粉末床の横方向に異なる場所へ電子ビームを方向付けるように構成された電子ビーム発生器と、を有している。

本発明は、さらに、この種の電子ビーム設備によって粉末状物質を加工するための方法に関する。

初期においては、工作物はしばしばいわゆる３Ｄプリント方法によって形成されている。特に適用された３Ｄプリント方法においては、たとえばレーザービームによって粉末床内の粉末状物質が個々の粉末粒子を、特に点から点及び層から層へ、選択的に融合することによって、３Ｄ構造になるように結合される。

この種の３Ｄプリント方法に準拠してしかるべき実験が、電子ビーム設備によっても実施された。しかし、所定の粉末状物質において入射する電子ビームは、粉末床から粉末粒子の大部分を吹き払うこと、すなわち、融合プロセスが生じる前に、粉末状物質は粉末床から電子ビーム設備の他の領域内へ吹き飛んでしまうことが明らかにされている。したがって、現在の従来技術によれば、粉末床の形状の粉末状物質の他の層が形成された後に、個々の粉末粒子を最終製品に比較して接着を少なくして互いに結合するために、それを予熱することが知られている。

その後、第２のステップにおいて初めて、粉末粒子がそれぞれ生成すべき３Ｄ構造の輪郭層に沿って電子ビームによって次のように、すなわち個々の粉末粒子の間に、工作物の後の使用目的のために充分な３Ｄ構造の安定性が形成されるように、融合される。

この方法の欠点は、粉末床を加熱するために必要なプロセス時間に表されている。というのは、特に各個々の形成された粉末層について加熱を新たにに行わなければならないからである。さらに電子ビーム設備の真空システム内へ付加的な熱を投入しなければならず、それによってエネルギ需要が増大し、かつより複雑なプロセスガイドが必要となる。

したがって、本発明の課題は、電子ビームによって加工する場合の粉末状物質の吹き飛ばしの問題をより良好に解決する、冒頭で挙げた種類の電子ビーム設備を提供することである。本発明の課題は、さらに、粉末状物質を加工するためのしかるべき方法を提供することである。

本発明によれば、この課題は、冒頭で挙げた種類の電子ビーム設備によって解決され、その電子ビーム設備はフリット装置を有し、そのフリット装置が少なくとも２つの電極の間に交流電圧を印加することによって、少なくとも粉末床の上の領域において電磁的な交番場（electromagnetic alternating field）を形成し、その交番場が粉末床の粉末状物質を結合する。

発明者は、以前の電信技術から知られた、コヒーラー（coherer）とも称される、フリット（”fritting”／焼き固める）の原理が、３Ｄプリントを目的とする電子ビーム設備の粉末床の粉末状物質にも適用可能であることを、認識した。

それについて発明者は、まず、粉末状物質の吹き払いは、粉末粒子が電子ビームによって照射されて、その際に静電帯電する場合に、粉末粒子が互いに静電的に突き放されることに起因する確率が高いことを、認識した。その場合に、たとえば金属粉末粒子のような、導電性材料からなる材料においても、容易に想到される考えとは逆の吹き払いが生じることが、明らかにされた。これは、小さい金属粉末粒子はしばしば酸化物層によって包囲されており、その酸化物層が非導電性であることによって、説明することができる。したがってこの種の粉末粒子は、その内部においては導電性であるが、電子ビームが当接する場合に電気的に帯電し、したがって吹き払いをもたらすことができる。

電磁的な交流電圧をもたらすことによって、互いに隣接する粉末粒子間で、静電的な帯電をもたらすことなく、いわゆるフリット電圧を上回ることができる。電信技術から知られたフリッターの場合と同様に、流れるフリット電流によって個々の粉末粒子が互いに結合される。したがってこの方法は、粉末状物質として金属粉末を使用するのに、特に適している。

したがってフリット装置は、吹き払いを阻止し、あるいは少なくとも減少させる目的で、粉末床の既知の温度ガイドに代わり、あるいはそれを補足することができる。それによって特に、冷却相の時間的短縮と設備のエネルギ削減を達成することができる。３Ｄ構造に対して余分な粉末材料（これから最終的に３Ｄ構造が取り出される）が、多くは再利用されるので、フリット装置の使用によってさらに材料の老化速度を低下させることができる。

フリット装置の電磁的な交番場は粉末床の粉末状物質を少なくとも、次に電子ビームによって加工する際に粉末状物質の吹き払いが低下される程度に結合する。したがって粉末粒子は、互いに軽く焼き付けられる（フリットされる）だけである。それとは異なり、加工するというのは、特に、安定した３Ｄ構造に達するために、粉末状物質を選択的に、特に点状に融合させることである。これは、それぞれスキャンストラテジーに応じて、たとえば点から点、線から線及び層から層へ発生させることができる。

好ましくは、フリット装置の交流電圧を駆動する周波数は、５ｋＨｚより大きい、特に１０ｋＨｚより大きい、好ましくは５０ｋＨｚより大きい領域内にある。電圧と電極の間隔は特に、粉末床内に０．５ｋＶ／ｍｍより大きい、特に１ｋＶ／ｍｍより大きい、好ましくは１０ｋＶ／ｍｍより大きい場の強さが生じるように、選択することができる。

好ましくはフリット装置の出力及び／又は交流電圧の周波数並びに電子ビームの出力は、結合された粉末状物質が次に電子ビームによって加工する場合に、特に次に電子ビームによって融合される場合に、吹き飛ばされないように、選択されており、その場合に粉末状物質は、電子ビームによる加工が行われない場所においてはフリット装置によって、粉末状物質がそこで、特に衝突によって、再びばらばらになることができるように、結合されているだけである。特に粉末状物質は、加工されない箇所においては、加工された箇所におけるよりも容易にばらばらになることができる。

フリット装置の電極の配置について種々の変形例が考えられ、電極は特に粉末床と電気的に接触することができる。フリット装置の電極は、特に、同時に、加工する際に電子ビームによってもたらされた電荷を逃がすために利用することができる。

好ましくはフリット装置の少なくとも１つの電極は、電子ビーム設備内部の固定の位置に配置されている。

好ましくは少なくとも２つの電極が、粉末床の一番上の粉末層に対して平行な平面、特に同一の平面内に水平に配置されている。このようにして粉末状物質は、層状に容易に焼き固めることができる。その場合に個々の層が互いに結合されていない場合には、電子ビームによる加工の後に、３Ｄ構造として結合されなかった粉末状物質は、容易にばらばらになる。

好ましくはフリット装置の少なくとも２つの電極が、横方向の領域に対して対称に配置されており、その領域内で電子ビームを粉末床へ向けることができる。その場合に横の方向は、ビーム方向に対して横の方向に関する。

しかし少なくとも２つの電極は、粉末床の一番上の粉末層に対して垂直の平面内に配置することもできる。その場合にフリット装置の少なくとも１つの電極は、粉末床の上方で少なくとも１つの軸線に沿って移動されるように、構成されることができる。これは好ましくは、粉末床に対して定められた間隔で行われる。さらにフリット装置の電極は、好ましくは、粉末状物質を粉末床として供給する、たとえばレーキのような粉末供給装置の後を追って粉末床の上方で移動することができる。具体的に電極は、たとえば、粉末床の上方で移動されるワイヤを介して実現することができる。好ましくは、あるいはその代わりに、２つの軸線に沿った移動を設けることもできる。

好ましくは、粉末容器は粉末床テーブル底を有しており、それは電気的に導通可能であり、同時にフリット装置の電極を形成する。テーブル底は大きな接触面である。特にテーブル底は、電子ビーム発生器によってもたらされた電荷を逃がすための電極として用いることもできる。

好ましくはフリット装置の少なくとも１つの電極は、パルス方式で作動する電子ビーム発生器の電子ビーム、及び／又は高い偏向速度で偏向する電子ビームによって形成されている。これに関してフリット装置の交流電圧は、電子に再び粉末粒子から流出するための充分な時間を残す、電子ビームのパルス電圧と考えることもできる。しかし特に電子ビームに、交流電圧を供給することもできる。このような本発明の考えにおいて、フリット装置のための付加的なコストは、実質的に設備制御におけるしかるべきフリット制御モジュールへ減少される。

電子ビーム発生器が、電子ビームを高い偏向速度で偏向させるように構成されている場合に、電子ビームは迅速な飛躍によって粉末床の種々の場所へ向けることができる。それによって電子ビームは粉末粒子へ同様に短く作用するだけなので、電子は吹き払われる前に粉末粒子から再び流出することができる。電子ビームの高い偏向速度は、１ｋＨｚより大きい、特に１０ｋＨｚより大きい、特に１００ｋＨｚより大きい周波数を有することができる。

電子ビーム設備によって粉末状物質を加工する方法に関して、本発明に係る方法は以下のステップを有している、すなわち、
ａ）−加工すべき粉末状物質からなる粉末床を収容することができる粉末容器と、
−電子ビームを粉末床の横方向の様々な場所へ方向付けされるように構成された電子ビーム発生器と、を有する電子ビーム設備を準備するステップと、
ｂ）少なくとも粉末床の上の領域で電磁的な交番場を発生させるために、フリット装置によって少なくとも２つの電極の間に交流電圧を印加し、その交番場が粉末床の粉末状物質を結合するステップと、
ｃ）電子ビームによって粉末状物質を加工するステップ、を有している。

好ましくは粉末状物質は、金属の粉末であって、ステップｃ）における加工は、粉末状物質の粒子を、選択的な融合によって次第に３Ｄ構造が形成されるように、互いに融合させることである。それによって電子ビーム設備によって３Ｄプリント方法により３Ｄ構造が形成される。

３Ｄプリントのために電子ビーム設備を使用することは、特に電子ビームのために、レーザービームのためよりも約１０００倍高い偏向速度を達成できる、という利点を有している。それが新しい種類の露光ストラテジーをもたらし、それが３Ｄ構造のより高い生産性、熱的により最適化されたプロセス及び／又はより小さい歪みをもたらし、特にそれによって形成される３Ｄ構造の形態へ影響を与えることができる。

以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

粉末容器としての粉末床テーブル底とフリット装置とを有する本発明に係る電子ビーム設備を示す斜視図である。 粉末床のための異なるように形成された粉末容器を有する第２の実施例に基づく電子ビーム設備を示す断面図である。 フリットのプロセスを説明する表示である。

図１は、真空ハウジング１２を有する電子ビーム設備１０を示しており、その真空ハウジング内に電子ビーム１６を発生させる電子ビームガン１４が配置されている。

この実施例において、電子ビームガン１４は、電気的に導通可能な昇降プレート１９と収容フレーム２０とを有する昇降テーブル１８の上方に配置されており、収容フレームは空間的に限定された粉末容器として用いられ、その粉末容器が加工すべき粉末状物質からなる粉末床２２を収容する。粉末床２２をさらに側方で限定するために、図示されない他の側壁を設けることができる。

昇降プレート１９が下方へ移動された場合に、粉末床２２はしだいに大きくなる領域を占めることができるので、粉末床２２は層から層へ増大される。

収容フレーム２０の上方に、さらに、レーキを備えた粉末供給装置２４が配置されており、その粉末供給装置は移動装置２６によって昇降テーブル１８の上方で移動することができる。粉末供給装置２４は、粉末状物質のための図示されない容器を有しており、その容器から走行運動によって粉末床２２上の材料をそれぞれ１番上のルーズな層２８として平坦にならすことができる。

走行装置２６は、さらに、ここに図示される実施例において、同時にフリット電極レール３０を支持しており、それが電気的な導線３２を介してフリット制御装置３４に接続されている。しかしフリット電極レール３０は、粉末床２２の上方で異なるように移動することもできる。

それに対してフリット制御装置３４は、他の電気的導線３６を介してカウンター電極としての昇降プレート１９と接続されている。

フリット制御装置３４は、交流電圧源３５を有しており、その交流電圧源によって第１の電極としてのフリット電極レール３０と第２の電極としての昇降プレート１９に交流電圧を供給することができる。

フリット電極レール３０、昇降プレート１９及びフリット制御装置３４は、一緒になってフリット装置を形成し、そのフリット装置はさらに他の構成部分を有することができ、かつその目的について以下でさらに詳細に説明する。

図１においてさらに、参照符号８０によって、たとえばスターとして示される３Ｄ構造が示されており、その３Ｄ構造は、粉末床２２内の個々の粒子が電子ビーム１６によって融合されることにより、しだいに形成され、もしくは「プリント」されている。

電子ビーム設備１０の変形された実施例が、図２に示されており、機能的又は構造的に類似の構成部分は、図１におけるのと同じ参照符号で示されている。

図２においては、ここでは必ずしも電気的に導通しない昇降プレート１９を有する昇降テーブル１８が断面で見られる。

しかしここでは、収容フレーム２０は、その上方の端部の、粉末床２２の一方の側に第１の細片形状のフリットサイド電極３０を支持しており、そのフリットサイド電極が導線３２を介してフリット制御装置３４と接続されている。付属のカウンター電極が第２のフリットサイド電極３１として粉末床２２の横方向に対向する側に配置されており、かつ導線３６を介してフリット制御装置３４と接続されている。したがってフリットサイド電極３０、３１は、横方向の領域の両側に配置されており、その領域へ電子ビーム１６を向けることができる。

図２からはさらに、３Ｄ構造８０がはっきりと見られ、その３Ｄ構造は粉末床２２の水平の面に対して垂直の方向においても、凹部と膨出部とをもってより複雑に構造化されている。

そしてこの実施例において、フリット制御装置３４は真空ハウジング１２の外部に配置されている。

本発明に係る電子ビーム設備１０は、以下のように作動する：

まず、粉末供給装置２４によって、粉末状物質からなる一番上のルーズな層２８が供給される。粉末供給装置２４の移動を追って、さらに移動の間、あるいはまた移動に続いて、フリット制御装置３４によって電極３０、３１と参照符号１９との間に交流電圧が印加される。

その周波数及び出力が粉末状物質に合わせて適切に選択されている交流電圧によって、その後、図３から明らかなように、粉末床２２のルーズな層２８の個々の粉末粒子４２がかるく融合されることにより、互いに結合される。図３において粉末粒子間のフィルタネックによって認識されるように、それによって粉末粒子４２の鎖が生じ、その鎖は、粉末床２２内のルーズな粉末粒子４２よりも高い、もしくはつながった電気的導通性を有している。

このプロセスにおいて、粉末粒子４２は粉末床２２から吹き払われない。というのは、交流電圧に基づいて粉末粒子４２は静電帯電されず、それにもかかわらず充分に高いフリット電流を発生させることができ、それが粉末粒子４２の少なくとも一部を融合させて、互いに「焼き固める」からである。

次に電子ビームガン１４によって、フリット装置を介して準備された粉末床２２の、形成すべき３Ｄ構造によって設定された箇所もしくはその一番上のルーズな層において、粉末粒子４２が著しく融合されることにより、より堅固な結合が生じる。これに関連してより堅固な、というのは、電子ビーム１６によって加工された箇所において粉末粒子４２がたとえば、フリット処理されただけの粉末粒子４２をたたき出すことによって粉末床２２から３Ｄ構造８０を取り出すことができるように、互いに結合されていることを、意味している。

上述したステップは、３Ｄ構造８０が完結するまで、それぞれステップからステップへ繰り返される。

Claims (10)

1. 粉末状物質を加工するために使用される電子ビーム設備（１０）であって、
   ａ）加工すべき粉末状物質からなる粉末床（２２）を収容することができる粉末容器（１８、１９、２０）と、
   ｂ）粉末床（２２）の横方向の様々な場所へ電子ビーム（１６）を方向付けするように構成されている電子ビーム発生器（１４）と、
   を有する電子ビーム設備において、
   ｃ）前記電子ビーム設備（１４）がフリット装置（３４、３５）を有し、該フリット装置が少なくとも２つの電極（１９、３０、３１）の間に交流電圧を印加することによって、少なくとも粉末床（２２）の領域で、該粉末床（２２）の前記粉末状物質を結合する電磁的な交番場を発生させることを特徴とする電子ビーム設備。
2. 前記フリット装置（３４、３５）の交流電圧の出力及び／又は周波数と前記電子ビーム（１６）の出力は、結合された前記粉末状物質が、前記電子ビーム（１６）によって続けて加工される場合、特に電子ビーム（１６）によって続けて融合される場合に、吹き飛ばされないように選択され、前記粉末状物質は、該粉末状物質が特にインパクトによって再び分離されることができるように、前記電子ビーム（１６）による加工が行われない箇所において、前記フリット装置（３４、３５）によって単に結合される、ことを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム設備。
3. 前記フリット装置（３４、３５）の少なくとも１つの電極（１９、３１）は、前記電子ビーム設備（１０）の内部の固定の位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子ビーム設備。
4. 少なくとも２つの電極（３０、３１）は、前記粉末床（２２）の一番上の粉末層（２８）に対して平行な平面、特に同一の平面内に水平に配置されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の電子ビーム設備。
5. 前記フリット装置（３４、３５）の少なくとも２つの電極（３０、３１）は、横方向の領域に対して対称に配置され、該横方向の領域内で前記電子ビーム（１６）は前記粉末床（２２）上へ方向付け可能であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の電子ビーム設備。
6. 前記フリット装置（３４、３５）の少なくとも１つの電極（３０）は、前記粉末床（２２）の上方で少なくとも１つの軸線に沿って移動するように構成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の電子ビーム設備。
7. 前記粉末容器（１８、１９、２０）は粉末床テーブル底（１９）を有し、該粉末床テーブル底が電気的に導通可能であり、かつ同時に前記フリット装置（３４、３５）の１つの電極を形成していることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の電子ビーム設備。
8. 前記フリット装置（３４、３５）の少なくとも１つの電極は、パルス方式で作動する前記電子ビーム発生器（１４）による前記電子ビーム（１６）及び／又は高い偏向速度で偏向される電子ビームによって形成されることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の電子ビーム設備。
9. 電子ビーム設備（１０）によって粉末状物質を加工する方法であって、以下のステップ、すなわち、
   ａ）−加工すべき前記粉末状物質からなる粉末床（２２）を収容することができる粉末容器（１８、１９、２０）と、
   −電子ビーム（１６）を前記粉末床（２２）の横方向の様々な場所へ方向付けるように構成された電子ビーム発生器（１４）と、
   を有する電子ビーム設備（１０）を準備するステップと、
   ｂ）少なくとも前記粉末床（２２）の上の領域的で、前記粉末床（２２）の前記粉末状物質を結合する電磁的な交番場を発生させるために、フリット装置（３４、３５）によって少なくとも２つの電極（１９、３０、３１）の間に交流電圧を印加するステップと、
   ｃ）前記電子ビーム（１６）によって前記粉末状物質を加工するステップと、
   を有する方法。
10. 粉末状物質が金属の粉末であり、
    ステップｃ）における前記加工は、３Ｄ構造（８０）が選択的な融合によって次第に形成されるように、前記粉末状物質の粒子（４２）相互を融合することであることを特徴とする請求項９に記載の方法。

Images