JP7485309B2

JP7485309B2 - 付加製造方法およびビームダンプを用いた装置

Info

Publication number: JP7485309B2
Application number: JP2021534669A
Authority: JP
Inventors: ユングブラード、ウルリック
Original assignee: フリーメルトエービー
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2020-01-29
Publication date: 2024-05-16
Anticipated expiration: 2040-01-29
Also published as: WO2020157137A1; JP2022518886A; US20220097141A1; EP3917706A1; CN113438995A; CA3127524A1

Description

本発明は、粉末床内で粉末材料を層ごとに融合させることで、粉末材料から３次元物体を作製するための付加製造装置（ａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇａｐｐａｒａｔｕｓ）に関する。
［従来技術の課題］

電子ビームを使用する付加製造装置では、電子ビーム源が、ビームの向きを変えるためのグリッドを有する３極管としてしばしば設計される。ただし、３極管設計は短所を有し、電子源のダイオード設計が、いくつかの側面から有利である。しかし、ダイオード設計は、電子ビームを急速にオンおよびオフにするためのグリッドを欠いている。粉末を加熱および融合するために電子ビームを使用する場合、電子ビーム内のパワーを急速に制御することが望まれる。

ビーム源から対象粉末面への途中にある小さな穴にビームを通すことにより、電子ビームを成形することが知られている。こうした電子ビームの成形は、穴の縁にビームを干渉させ、ビームの外周が穴を通過することを阻止することにより、ビームの周囲での不要な収差を取り除くように設計することが可能である。

本発明は、連続した粉末の層を融合することにより３次元物体を製造する電子ビームシステムための方法であって、上記電子ビームシステムが、電子ビームを再成形するための少なくとも１つのレンズと、電子源と、粉末床とを有し、上記方法が、電子ビームパワーを制御するために、上記電子ビームのうちの選択された断面をブロックする段階を備える、方法に関する。

実施形態では、電子源が、ダイオード電子源であり得る。

実施形態では、電子源が、レーザ加熱電子源であることが好ましい。

実施形態では、電子ビームが、ビームブロッキング部への干渉により可変的にブロックされる。

実施形態では、上記ビームブロッキング部には、電子ビームを少なくとも部分的に通過させるための穴が設けられ得る。

実施形態では、上記穴が、円錐形に形成され得る。

実施形態では、上記ビームブロッキング部が、電子ビームへの干渉によるエネルギーを少なくとも部分的に受け取るために提供される。

実施形態では、上記ビームブロッキング部が、上記電子源と上記粉末床との間に配置される。

実施形態では、上記ビームブロッキング部が、電子ビームを再成形するための上記レンズと、上記粉末床との間に配置される。

実施形態では、上記電子ビームが、電子ビームを再成形するための上記レンズにより、上記ビームブロッキング部における交差部分を伴って形成され得る。

実施形態では、上記電子ビームを上記再成形することが、焦点をずらすことであり得る。

実施形態では、上記電子ビームを上記再成形することが、平行移動であり得る。

実施形態では、上記電子ビームを上記再成形することが、収差であり得る。

本発明は、連続した粉末の層を融合することにより３次元物体を製造するための装置に更に関し、上記装置が、電子ビームを再成形するための少なくとも１つのレンズと、電子源と、粉末床と、電子ビームパワーが粉末床に達することを可変的に制御するために、電子源からのエネルギーを受け取るためのビームブロッキング部とを備える。

実施形態では、電子源が、ダイオード電子源であり得る。

実施形態では、上記穴が、円錐形に形成され得る。

本発明の範囲は、特許請求の範囲により規定され、特許請求の範囲を参照により本文書に組み入れる。以下での１つまたは複数の実施形態の詳細な説明を考慮することにより、本発明の実施形態のより完全な理解、ならびに、それら実施形態の更なる利点の実現が当業者に付与されることになる。添付の図面を参照ことになるが、最初に、それらについて簡単に説明する。

本発明の説明では、以下の図面を参照する。
粉末床とビームブロッキング部を伴う電子銃とを有する電子ビーム付加製造装置を示す図である。円錐形の穴を有するビームブロッキング部を伴う電子銃を示す図である。穴を有さないビームブロッキング部を伴う電子銃を示す図である。

開示する付加製造装置は、製造チャンバと、電子源と、粉末床と、電子ビームパワーを制御するために、電子源からのエネルギーを受け取るためのビームブロッキング部と、粉末床表面にて、電子ビームの焦点および位置を制御するためのレンズとを備える。本出願人の出願ＳＥ１９５１０７１－８（同時係属）およびＷＯ２０１９１８５６４２Ａ１（公開済）でも、本技術および付加製造についてより多く説明されている。これら出願を参照により本明細書に組み入れる。

本明細書中に開示する発明は、供給源から対象への電子ビーム経路内のエネルギーをダンプ（ｄｕｍｐ）することにより、電子ビーム電流を急速に制御することが可能であるという理解に基づく。これは、電子ビーム源と、電子ビームのサイズまたは形状を制御するためのビームブロッキングレンズとを提供することにより行われる。ビーム経路内では、上記レンズの後に、ビームブロッキング部１０１が配置されるのが好ましい。上記ビームブロッキング部には、ビーム経路内の中心に配置される小さなアパーチャ穴１０２が設けられ得る。さらに、ビーム経路内には、ビームブロッキング部の後に、ビーム焦点を粉末床１１０に向けて制御するための集束レンズ１０４と、粉末床上の異なる位置で、ビームの位置を制御するためのレンズ１０３とが配置され得る。粉末床は、電子ビーム１０８の対象であり、そこで、上記ビームが、３次元物体１０９を作製するためのパターンを描く。上記電子ビームのうちの選択された断面をブロックすることが、電子ビームとビームブロッキング部との干渉により行われ得、例えば、選択された断面は、ビームブロッキング部での電子干渉領域、または、この領域の一部分になり得る。

電子源１０７後のビーム経路内には、ビームブロッキング部内の電子をダンプすることにより、電子ビーム１０８の高速制御を行うために、ビームブロッキングレンズ１０６およびビームブロッキング部１０１が配置され得る。ビームブロッキング部は、電子ビームの一部分がビームブロッキング部に干渉することを可能にすることにより、電子ビームを可変的にブロックして、電子ビームパワーを制御するために提供される。この制御は、ビームブロッキングレンズにより、ビームの焦点をずらすこと、または、ビームを再成形することで、電子ビームがビームブロッキング部に干渉する量を調節することにより実行され得る。電子ビーム１０８のブロックは、ビームブロッキング部１０１に干渉する電子ビーム１０８のパーセンテージ、および、ビームブロッキング部１０１を通過するパーセンテージを変えることにより実現される。このブロックは、電子ビーム１０８の特性を急速に変えることにより、電子ビーム１０８のうちのより多くの部分、または、より少ない部分をビームブロッキング部１０１に干渉させることにより実現することが可能である。電子ビームのうちビームブロッキング部に干渉しない部分は、ビームブロッキング部１０１のアパーチャ穴１０２を通してビームブロッキング部を通過し、粉末床１１０に向かって進む。ビームブロッキングレンズに対して制御信号をパルス発振することにより、ビームブロッキング部における電子ビームの直径を変動させて、ビームパワーが粉末床に達することを制御することができる。他の方法は、ビームブロッキングレンズに対して制御信号をパルス発振することにより、電子ビームの形状を変動させることであり得る。ビームのビーム成形と、ビーム直径パルス発振とを組み合わせることも可能である。ビームブロッキングレンズに対する上記パルス発振された制御信号により、ビームの通過と、ビームブロッキング部へのビーム干渉とのパルス駆動よる切替えを行うように電子ビームを制御することができ、よって、電子ビームパワーが対象粉末床に達することの高速制御が実現される。

ビームブロッキングレンズは、電磁コイルであることが好ましい。電磁コイルを使用することの１つの利点は、それが、高速なビーム制御方法であることである。

平均ビームパワーを、ビームの高周波数パルス発振により制御することが可能であり、この制御は、パルス幅変調、または、幅を固定した周波数変調により実現され得る。粉末の融合中に、良好な材料品質を実現するように、ビームパワーを制御することが重要である。高速ビーム制御により、例えば、ビーム向き転換点における、改善された融合プロセス制御、および、粉末床における異なるビーム位置間での高速ビームジャンプを実現することが可能である。ビームパワーは、固定周波数または固定パルス幅によっては決定されない任意のパルスシーケンスを使用して制御することも可能である。

ビームブロッキング部１０１により、ビーム源１０７における電子ビームパワーをシフトしながら、すなわち、電子源内の陰極の温度をシフトしながら、粉末床１１０におけるビームパワーをオフにすることが可能である。通常、陰極における温度のシフトは、例えば、レーザからの陰極の背面加熱により実行される低速プロセスである。電子ビームがビームブロッキング部を通過するかどうか、または、電子ビームがビームブロッキング部により完全にもしくは部分的にブロックされるかどうかに関係なく、電子ビーム電流は、電気流速計を使用することにより、常にモニタすることが可能である。なぜなら、ビームブロッキング部および粉末床の双方は、電子ビームとともに、閉電気回路の一部分とすることが可能であるからである。しかし、ビームブロッキング部を電気的に分離し、粉末床に入る電子ビーム電流の測定とは分けて、ビームブロッキング部に入る電子ビーム電流をモニタすることも可能である。

ある位置から他の位置への、粉末床における電子スポットの高速ジャンプ中に、ビームパワーをオフにするためにビーム制御を使用することが更に有利である。こうすることで、非焼結粉末の帯電効果を避けることが可能である。さらには、こうしたやり方で、本発明によりビームパワーを制御することが可能になることにより、ビームをオンにする前に、粉末床におけるビームスポットの位置に合わせる時間を考慮することが可能になる。

ビームパワーが、電子ビームのうちの選択された断面と、ビームブロッキング部との干渉によりオフにされても、電子ビームの一部分が、ビームブロッキング部の穴１０２を通してビームブロッキング部１０１を通過し得るので、ビームパワーを、完全にオフにしないこともできる。電子ビームの一部分がビームブロッキング部に干渉すると、対象１１０に達するビームパワーは減少する。一方、ビームがオンになり、電子ビームのほとんどがビームブロッキング部を通過すると、対象に達するビームパワーは増加する。

本発明は、更に、高速ビームパワー調整を提供する。この高速ビームパワー調整は、粉末床におけるビームスポットの動き方向が、向きを変え、進行方向を変える向き転換点で有効になり得る。さらに、ビームブロッキング制御により、ビームパワーの急速変化を実現することも可能である。こうしたビームパワーの急速変化は、陰極の温度を変化させることで、すなわち、陰極を加熱するのに使用されるレーザパワーを減少させることで、ビームパワーのより低速な変化を実行する間の動的補償のために有効であり得る。

本発明は、導電性粉末、好ましくは金属粉末の連続層を融合することにより、３次元物体１０９を製造する電子ビームシステムのための装置および方法を開示する。本システムは、電子ビーム１０８の高速集束または再成形のための少なくとも１つの電磁レンズ１０６と、電子源１０７と、粉末床１１０とを有する。本装置は、電子ビーム源から粉末床対象１１０へのビーム経路内で、電子ビームを部分的にブロックすることにより、電子ビーム粉末を制御するように、電子ビームを可変的にブロックするために提供される。

図１に示す本発明の実施形態では、電子源１０７がダイオード電子源であり得る。３極管電子源とは違い、ダイオード電子源はグリッドを欠いており、３極管内のグリッドは、電位によりビームをオンおよびオフにするのに使用される。ダイオード電子源は放出陰極を有し、陰極と陽極との間に高電位が印加されるので、陰極からの放出電子が、陽極に向かって加速され、陽極の穴を通過することで、粉末床対象１１０へのビーム経路を進む電子ビームが形成される。レーザビーム、いわゆるレーザ加熱電子源で陰極の裏側を加熱することにより、電子が陰極から放出される。

図１に示す実施形態では、電子ビーム１０８を、ビームブロッキング部１０１への干渉によりブロックすることができる。電子ビームの焦点を変えることにより、電子ビームをブロックすることができるので、ビームの直径を変えることで、ビームの周囲が、ビームブロッキング部１０１の穴１０２の縁に干渉するようになる。あるいは、ビーム直径サイズまたはビーム位置を経時的に変動させることにより、電子ビーム１０８を可変的にブロックすることも可能である。電子ビーム１０８とビームブロッキング部１０１との干渉が実現するように、ビームサイズ、ビーム位置、およびビーム焦点の変動を組み合わせることも可能である。

さらに、ビームブロッキング部１０１には、電子ビーム１０８を少なくとも部分的に通過させるために、ビーム経路の中心に配置された穴１０２が設けられ得る。ビーム経路で中心に集められたビームが焦点をずらされると、ビームの小部分が穴１０２を通過し、ビームの大部分がビームブロッキング部１０１に干渉する。

一方、ビームを、ビーム経路の中心から離れるように偏向させると、ビームのうち、ビームブロッキング部１０１の穴１０２を通過する部分を最小にすること可能である。

一実施形態では、ビームブロッキング部１０１が、プレート形状を有し、電子源１０７と上記粉末床１１０との間に配置され、さらには、ビームブロッキング部１０１が、電子ビーム１０８の再成形のためのビームブロッキングレンズ１０６と、上記粉末床１１０との間に配置されることが好ましい。ビームブロッキングレンズにより、電子ビーム交差部分を、ビームブロッキング部の穴にて形成することができる。これは、ビームがブロックされない時に、ビームが狭い穴を通過するようにするためのものである。ビーム交差部分は、ビーム経路に沿った焦点と定義できる。電子ビームの再成形は、焦点、非点収差、形状、直径、エネルギー分布等を変えることにより行うことが可能である。再成形は、収差とも呼ばれる、より高次のビーム変形により行うことも可能である。

図３に示す他の実施形態では、ビームブロッキング部１０１の穴またはアパーチャが、電子ビーム１０８により作られている。穴がない状態のビームブロッキング部１０１から始め、強力な電子ビーム１０８を使用して、ビームブロッキング部を溶かして穴を作る。このことの利点は、電子ビーム１０８に関して、穴が正確な位置および正確なサイズで作られることである。システム内での最後の位置ずれおよび収差は、電子ビーム１０８による穴の作製中に起こるので、その後に、穴のサイズおよび位置と、電子ビームとの関係を調整する必要はない。これは、穴が、電子ビーム１０８自体によって作られるからである。

図２に示す代替実施形態では、ビームブロッキング部１０１の穴またはアパーチャ２０２を、円錐形に形成することができ、これは、粉末床１１０に達するパワーを減少させるために、電子ビーム１０８の焦点をずらす場合、または、電子ビーム１０８を再成形する場合に、ビームブロッキング部１０１のうち、電子ビーム１０８に干渉する領域が増大されるので有利である。これにより、ビームブロッキング部が、円錐形状を有する穴を伴って形成されない場合と比較して、ビームブロッキング部での電子ビーム１０８による局所加熱の量が減少する。また、こうすることで、円錐形の穴２０２に向かう電子ビーム１０８の入射角に起因して、電子ビーム１０８のビームブロッキング部１０１への干渉に由来する後方散乱電子のより多くが、陰極に戻るように進むのではなく、穴２０２の反対側に干渉するので有利である。

一代替実施形態では、電子ビームを偏向レンズで偏向させることにより、ビームブロッキング部に部分的に干渉するように、電子ビームを制御することができる。電子ビームとビームブロッキング部との干渉が実現するように、焦点レンズと偏向レンズとの組合せを使用することも可能である。偏向レンズは、電磁コイルであることが好ましい。電磁コイルを使用することの１つの利点は、高速なビーム制御方法であることである。

一代替実施形態では、電磁コイルにより電子ビームを再成形することにより、ビームブロッキング部が部分的に干渉されるように電子ビームを制御して、電子ビームとビームブロッキング部との干渉を実現することができる。電子源からの電子ビームエネルギー分布の再成形は、電子ビームのエネルギー分布を、断面内で２重ピークを伴うように成形することによって実行することも可能である。ただし、焦点をややずらすことで、ビーム形状はガウスエネルギー分布を呈する。このことは、断面内で２重ピークを有する場合に、中心でのエネルギーが最小になる電子ビームの特性に起因して、ビームブロッキング部にて中心に配置されたアパーチャを通過するエネルギーを最小にするのに有利である。

ビームブロッキング部のアパーチャ穴により、望まれない周辺収差をこすり落として除去するために、または、望まれない周辺収差を選択的に除去するためにビームブロッキング部を使用して、対象粉末床での改善されたスポットを実現することも有利である。

本発明の目的は、電子ビームのうち、ビームブロッキング部内にある部分をパルス駆動でダンプして、電子ビームパワーを高速で変化させることにより、付加製造システム内で粉末床に向かう電子ビームのパワーを調整するための、効率的な制御方法を提供することである。この目的は、独立請求項で規定される方法により実現される。従属請求項は、本発明の有利な実施形態、変形形態、および更なる発展形態を含む。

Claims

連続した粉末の層を融合することにより３次元物体を製造する電子ビームシステムのための方法であって、前記電子ビームシステムが、電子ビームを再成形するための少なくとも１つのレンズと、電子源と、粉末床と、ビームブロッキング部とを有し、
前記電子ビームを再成形するための前記レンズが、前記電子源と、前記ビームブロッキング部との間に配置され、
前記方法が、前記ビームブロッキング部によって、電子ビームパワーを制御するために、前記電子ビームのうちの選択された断面をブロックする段階を備え、
前記電子ビームが、前記少なくとも１つのレンズにより焦点をずらされるとき、前記粉末床に到達する電力は、前記ビームブロッキング部によって、粉末が融合しない程度にオフにされる、方法。
前記電子源が、ダイオード電子源である、請求項１に記載の方法。
前記電子源が、レーザ加熱電子源である、請求項１または２に記載の方法。
前記電子ビームが、前記ビームブロッキング部への干渉により可変的にブロックされる、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
前記ビームブロッキング部には、前記電子ビームを少なくとも部分的に通過させるための穴が設けられる、請求項４に記載の方法。
前記穴が、円錐形に形成される、請求項５に記載の方法。
前記ビームブロッキング部が、前記電子ビームへの干渉によるエネルギーを少なくとも部分的に受け取るために提供される、請求項４から６のいずれか一項に記載の方法。
前記ビームブロッキング部が、前記電子源と前記粉末床との間に配置される、請求項４から７のいずれか一項に記載の方法。
前記ビームブロッキング部が、前記電子ビームを再成形するための前記レンズと、前記粉末床との間に配置される、請求項４から８のいずれか一項に記載の方法。
前記電子ビームが、前記電子ビームを再成形するための前記レンズにより、前記ビームブロッキング部における交差部分を伴って形成される、請求項４から９のいずれか一項に記載の方法。
前記電子ビームを前記再成形することが、平行移動をさらに含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
前記電子ビームを前記再成形することにおいて、収差がさらに用いられる、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
連続した粉末の層を融合することにより３次元物体を製造するための装置であって、電子ビームを再成形するための少なくとも１つのレンズと、電子源と、粉末床と、電子ビームパワーが前記粉末床に達することを可変的に制御するために、前記電子源からのエネルギーを受け取るためのビームブロッキング部とを備え、
前記電子ビームを再成形するための前記レンズが、前記電子源と、前記ビームブロッキング部との間に配置され、
前記電子ビームが、前記少なくとも１つのレンズにより焦点をずらされるとき、前記粉末床に到達する電力は、前記ビームブロッキング部によって、粉末が融合しない程度にオフにされる、装置。
前記電子源が、ダイオード電子源である、請求項１３に記載の装置。
前記電子源が、レーザ加熱電子源である、請求項１３または１４に記載の装置。
前記電子ビームが、前記ビームブロッキング部への干渉により可変的にブロックされる、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の装置。
前記ビームブロッキング部には、前記電子ビームを少なくとも部分的に通過させるための穴が設けられる、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の装置。
前記穴が、円錐形に形成される、請求項１７に記載の装置。
前記ビームブロッキング部が、前記電子ビームへの干渉によるエネルギーを少なくとも部分的に受け取るために提供される、請求項１３から１８のいずれか一項に記載の装置。
前記ビームブロッキング部が、前記電子源と前記粉末床との間に配置される、請求項１３から１９のいずれか一項に記載の装置。
前記ビームブロッキング部が、前記電子ビームを再成形するための前記レンズと、前記粉末床との間に配置される、請求項１３から２０のいずれか一項に記載の装置。
前記電子ビームが、前記電子ビームを再成形するための前記レンズにより、前記ビームブロッキング部における交差部分を伴って形成される、請求項１３から２１のいずれか一項に記載の装置。
前記電子ビームを前記再成形することが平行移動をさらに含む、請求項１３から２２のいずれか一項に記載の装置。
前記電子ビームを前記再成形することにおいて、収差がさらに用いられる、請求項１３から２３のいずれか一項に記載の装置。