DE102011009488A1

DE102011009488A1 - Elektronenstrahlanlage zur schichtweisen Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils

Info

Publication number: DE102011009488A1
Application number: DE201110009488
Authority: DE
Inventors: Dr. Mücke Michael; Karsten Zosel
Original assignee: Global Beam Technologies AG
Current assignee: Muecke Michael Dr De; Zosel Karsten De
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2012-07-26

Abstract

Eine Elektronenstrahlanlage (1) zur schichtweisen Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils (3) weist einen Elektronenstrahlgenerator (10) zur Erzeugung eines Elektronenstrahls (e1), eine Strahlablenkeinrichtung (24) zur Ablenkung des von dem Elektronenstrahlgenerator (10) erzeugten Elektronenstrahls (20) an Arbeitspositionen (Pi) auf einer Baumaterialschichtoberfläche (32), und eine Strahlausrichteinrichtung (26), die dazu ausgebildet ist; den von der Strahlablenkeinrichtung (24) abgelenkten Elektronenstrahl derart auf die Baumaterialschichtoberfläche (32) zu richten, dass ein Einfallswinkel (α) des ausgerichteten Elektronenstrahls auf die Baumaterialschichtoberfläche (32) an den Arbeitspositionen (Pi) in einem vorbestimmten Einfallswinkelbereich liegt, auf.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenstrahlanlage zur schichtweisen Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils, eine Strahlausrichteinrichtung zur Ausrichtung eines Elektronenstrahls sowie auf ein Verfahren zur schichtweisen Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils.
Hintergrund
Im Stand der Technik der Materialbearbeitung mit Elektronenstrahlen ist es bekannt, den Strahl eines Elektronenstrahlgenerators über ein zu sinterndes Material (hierin auch Baumaterial oder Sintermaterial) zur Materialbearbeitung in einem vorbestimmten Muster zu führen. Üblicherweise wird dazu der Elektronenstrahl mit einer Ablenkspule abgelenkt, um das zugrundeliegende Muster abzutasten.
Eine Ansteuerungstechnik zur schnellen Steuerung der Ablenkung eines Elektronenstrahls ist z. B. aus EP 1 885 059 A2 bekannt.
Ferner ist z. B. aus DE 10 2008 009 410 A1 ein Verfahren zum Justieren eine Elektronenstrahls, insbesondere des Fokuspunkts des Elektronenstrahls bekannt.
Zusammenfassung der Offenbarung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technik zur Führung eines Elektronenstrahls eines Elektronenstrahlgenerators anzugeben, die insbesondere den Einsatz von Elektronenstrahlanlage bei der schichtweisen Herstellung oder Bearbeitung von großen Bauteilen erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Elektronenstrahlanlage nach Anspruch 1, einer Strahlausrichteinrichtung zur Ausrichtung eines Elektronenstrahls nach Anspruch 16 und einem Verfahren zur schichtweisen Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils nach Anspruch 19. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die hierin offenbarten Konzepte zur Führung eines Elektronenstrahls basieren auf einer Strahlausrichtung nach der Strahlablenkung beispielsweise mit einer Strahlausrichteinrichtung, die unterschiedlich stark abgelenkt einfallende Elektronenstrahlen ausrichtet. Das dazu benötigte elektrische, magnetische und/oder elektromagnetische Feld kann dabei der Strahlausrichteinrichtung eingeprägt sein oder von dieser in Abhängigkeit von der Ablenkung erzeugt werden.
Mit dem hierin offenbarten Konzepten zur Führung eines Elektronenstrahls kann ein weitgehend positionsunabhängiges Wechselwirkungsverhalten des Elektronenstrahls mit dem Baumaterial und/oder dem Bauteil bewirkt werden. Die dabei vorgenommene Elektronenstrahlausrichtung bewirkt eine über die Baumaterialschichtoberfläche einstellbare, beispielsweise einheitlich ausgebildete, Elektronenstrahlwechselwirkungszone. Z. B. kann die Elektronenstrahlwechselwirkungszone eine einheitliche Orientierung und Tiefe über die Baumaterialschichtoberfläche aufweisen. Somit kann z. B. eine räumliche Homogenität der eingetragenen Temperatur erhöht werden, die z. B. insbesondere für von einander entfernte, z. B. weiter innen und weiter außen liegende, Arbeitspositionen zur vergleichbaren Materialbearbeitungsbedingungen führt. Ferner kann ein Temperaturprofil mit einer räumlichen, insbesondere lateralen, Genauigkeit erzeugt werden, die eine präzise Herstellung und Bearbeitung eines Bauteils erlaubt.
In einigen Ausführungsformen kann die Wechselwirkung in Abhängigkeit von der Position auf der Baumaterialschichtoberfläche unterschiedlich eingestellt oder einstellbar sein. Beispielsweise kann die Orientierung und Tiefe der Wechselwirkungszone innerhalb der Fläche anders sein als im Randbereich der Fläche.
In einigen Ausführungsformen weist eine Elektronenstrahlanlage zur schichtweisen Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils einen Elektronenstrahlgenerator zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, eine Strahlablenkeinrichtung zur Ablenkung des von dem Elektronenstrahlgenerator erzeugten Elektronenstrahls an Arbeitspositionen auf einer Baumaterialschichtoberfläche und eine Strahlausrichteinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den von der Strahlablenkeinrichtung abgelenkten Elektronenstrahl derart auf die Baumaterialschichtoberfläche zu richten, dass ein Einfallswinkel des ausgerichteten Elektronenstrahls auf die Baumaterialschichtoberfläche an den Arbeitspositionen in einem vorbestimmten Einfallswinkelbereich liegt, auf.
In einigen Ausführungsformen weist eine Strahlausrichteinrichtung zur Ausrichtung eines Elektronenstrahls auf Arbeitspositionen auf einer Baumaterialschichtoberfläche, die in einer Elektronenstrahlanlage bereitgestellt wird, eine Einrichtung zum elektrischen und/oder magnetischen und/oder elektromagnetischen Wechselwirken mit dem Elektronenstrahl auf, die dazu ausgebildet ist, den Elektronenstrahl für verschiedene Eintrittsrichtungen in die Strahlausrichteinheit derart auf die Baumaterialschichtoberfläche zu richten, dass ein Einfallswinkel auf die Baumaterialschichtoberfläche für die Arbeitspositionen in einem vorbestimmten Einfallswinkelbereich liegt.
In einigen Ausführungsformen weist eine Elektronenstrahlanlage zur schichtweisen Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils einen Elektronenstrahlgenerator, z. B. eine Elektronenstrahlkanone, zur Erzeugung eines Elektronenstrahls sowie eine Bauteileinrichtung, die zur Herstellung oder Bearbeitung des Bauteils eine Baumaterialschichtoberfläche definiert, auf. Eine Strahlführungseinrichtung der Elektronenstrahlanlage ist zur Führung des von dem Elektronenstrahlgenerator erzeugten Elektronenstrahls an Arbeitspositionen auf der Baumaterialschichtoberfläche vorgesehen. Sie ist dazu ausgebildet, den Elektronenstrahl gemäß einem Strahlführungsmusters über die Baumaterialschichtoberfläche zu führen. Dabei weist die Strahlführungseinrichtung eine Strahlablenkeinrichtung zur Ablenkung des von dem Elektronenstrahlgenerator erzeugten Elektronenstrahls auf. Ferner weist die Strahlführungseinrichtung eine Strahlausrichteinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, den von der Strahlablenkeinrichtung abgelenkten Elektronenstrahl in eine Einfallsrichtung auf die Baumaterialschichtoberfläche auszurichten, so dass ein Einfallswinkel des von der Strahlausrichteinrichtung ausgerichteten Elektronenstrahls auf die Baumaterialschichtoberfläche für die Arbeitspositionen auf der Baumaterialschichtoberfläche in einem vorbestimmten Einfallswinkelbereich liegt.
In einigen Ausführungsformen weist eine Strahlausrichteinrichtung zur Ausrichtung eines Elektronenstrahls auf Arbeitspositionen auf einer Baumaterialschichtoberfläche, die in einer Elektronenstrahlanlage bereitgestellt wird, einer Einrichtung zum elektrischen und/oder magnetischen und/oder elektromagnetischen Wechselwirken mit dem Elektronenstrahl auf, die dazu ausgebildet ist, den Elektronenstrahl für verschiedene Eintrittsrichtungen in die Strahlausrichteinheit derart auf die Baumaterialschichtoberfläche zu richten, dass ein Einfallswinkel auf die Baumaterialschichtoberfläche für die Arbeitspositionen in einem vorbestimmten Einfallswinkelbereich liegt.
In einigen Ausführungsformen weist ein Verfahren zur schichtweisen Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils folgende Schritte auf: ein schichtweises Auftragen von einem Baumaterial zur Erzeugung einer Baumaterialschichtoberfläche, ein Erzeugen eines Elektronenstrahls, ein Ablenken des Elektronenstrahls durch Einstellen eines ersten einstellbaren elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Feldes zur Bestrahlung einer Abfolge von Arbeitspositionen auf der Baumaterialschichtoberfläche, und ein Ausrichten des abgelenkten Elektronenstrahls mit einem zweiten voreingestellten elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Feldes derart, dass die Einfallswinkel des ausgerichteten Elektronenstrahls auf die Baumaterialschichtoberfläche an den Arbeitspositionen in einem vorbestimmten Winkelbereich liegen.
Insbesondere können hierin offenbarte Elektronenstrahlanlagen und Verfahren es erlauben, große Bauteile, bei denen z. B. für die Randbereiche starke Ablenkungen des Elektronenstrahls durch die Strahlablenkeinrichtung benötigt werden, mittels Elektronenstrahlsintern herzustellen bzw. zu bearbeiten.
Insbesondere die Verwendung schneller Strahlablenkungsvorrichtungen, wie sie z. B. aus der zuvor genannten EP 1 885 059 A2 bekannt sind, kann ein gleichzeitiges Sintern weit voneinander entfernt liegender Bereiche ermöglichen. Dies kann insbesondere in Kombination mit den hierin offenbarten Elektronenstrahlführungen somit das Elektronenstrahlsintern von Großbauteilen quasi zeitgleich an mehreren Bereichen oder die parallele Herstellung von mehreren Bauteilen augrund des großen zur Verfügung stehenden Bearbeitungsbereichs ermöglichen.
Großbauteile sind z. B. Komponenten von Turbinen (z. B. Turbinenschaufeln), Strahltriebwerken und Verbrennungsmotoren. Insbesondere bieten sich Bauteile an, die eine integrierte Kühlung benötigen. Vor allem bei großen Bauteilen können sich die Kostenvorteile des Sinterns gegenüber dem kompletten Zerspanen aus einem Material (z. B. Wolfram) zur Geltung kommen.
Ein Beispiel für die Herstellung von mehreren Bauteilen ist die quasi zeitgleiche Herstellung von mehreren Zahnkronen in einem Sintervorgang, was zu einer Produktivitätssteigerung führen kann. Ferner kann auch bei kleinen Bauteilen unter Verwendung der hierein offenbarten Elektronenstrahlführung eine Erhöhung der Bauteilqualität und insbesondere eine Verbesserung der erzeugten Materialhomogenität und Bauteilstabilität bewirkt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Elektronenstrahlanlage mit einer Strahlführungseinrichtung;
2 ein Flussdiagramm, das den Betrieb einer Elektronenstrahlanlage gemäß 1 verdeutlicht;
3A eine auf einem hufeisenförmigen Magneten basierende schematisch dargestellte lineare Strahlausrichteinrichtung;
3B eine auf einer Magnetspule und einem hufeisenförmigen Magnetkern basierende schematisch dargestellte lineare Strahlausrichteinrichtung;
4 eine schematisch dargestellte Aufsicht auf ein Pulverbett mit einer Strahlsausrichteinrichtung gemäß 3B;
5 ein Ort-Zeit-Diagramm zur Verdeutlichung einer beispielhaften Abhängigkeit der Bestrahlungsdauer T vom radialen Abstand r;
6 eine schematisch dargestellte Anordnung mit vier linearen Strahlausrichteinrichtungen;
7A eine schematisch dargestellte Seitenansicht einer Elektronenstrahlanlage mit einer linearen Strahlausrichteinrichtung, die den Elektronenstrahl mittels eines elektrischen Feldes ausrichtet;
7B eine schematisch dargestellte Aufsicht der Strahlausrichteinrichtung der Elektronenstrahlanlage gemäß 7A;
8 eine schematisch dargestellte Aufsicht auf eine ein elektrisches Quadrupol-Feld ausbildende Strahlausrichteinrichtung zur Ausrichtung eines Elektronenstrahls;
9A eine schematisch dargestellte Querschnittsansicht einer Elektronenstrahlanlage mit einer auf einem ringförmig ausgebildeten Magneten basierenden Strahlausrichteinrichtung zur zweidimensionalen Ausrichtung eines Elektronenstrahls mittels eines magnetischen Feldes;
9B eine schematisch dargestellte Querschnittsansicht einer auf einer Zylinderspule basierenden Strahlausrichteinrichtung zur zweidimensionalen Ausrichtung eines Elektronenstrahls mittels eines magnetischen Feldes;
9C eine schematisch dargestellte Querschnittsansicht einer auf zwei Zylinderspulen basierenden Strahlausrichteinrichtung zur zweidimensionalen Ausrichtung eines Elektronenstrahls mittels eines magnetischen Feldes;
10 eine schematisch dargestellte Querschnittsansicht einer Elektronenstrahlanlage mit einer Strahlausrichteinrichtung zur zweidimensionalen Ausrichtung eines Elektronenstrahls mittels eines elektrischen Feldes;
11 eine schematisch dargestellte Querschnittsansicht einer Elektronenstrahlanlage mit einer auf einem Sektormagneten basierenden Strahlausrichteinrichtung;
12 eine schematisch perspektivische Ansicht eines hufeisenförmigen Magneten mit variierendem Querschnitt der Magnetpole;
13 eine schematische Aufsicht eines hufeisenförmigen Magneten mit geschwungen geformten Magnetpolen; und
14 eine schematische Darstellung einer Elektronenstrahlanlage mit einer Strahlführungseinrichtung mit einer ersten schnellen Strahlablenkeinrichtung und einer zweiten bewegbaren, als Strahlausrichteinheit wirkenden schnellen Strahlablenkeinrichtung.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektronenstrahlanlage 1 zur schichtweisen Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils 3. Die Elektronenstrahlanlage 1 weist einen Elektronenstrahlgenerator 10 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls und eine Strahlführungseinrichtung 20 zur Führung des von dem Elektronenstrahlgenerator 10 erzeugten Elektronenstrahls zu einer Bauteileinrichtung 30 der Elektronenstrahlanlage 1, in der das Bauteil 3 hergestellt bzw. bearbeitet wird, auf.
Die Bauteileinrichtung 30 definiert eine Baumaterialschichtoberfläche 32. Die Baumaterialschichtoberfläche 32 wird z. B. durch gleichmäßiges Verteilen von Baumaterial 33 mittels einer Baumaterialzuführungseinrichtung 34 als eine ebene Baumaterialoberfläche ausgebildet. Beispiele für Baumaterial 33 sind Pulvermaterialien, die zum Sintern mit einem Elektronenstrahl geeignet sind, z. B. als Pulver herstellbare Metalle und Legierungen (z. B. Titanlegierungen).
Die Strahlführungseinrichtung 20 ist dazu ausgebildet, den Elektronenstrahl zu Arbeitspositionen Pi auf der Baumaterialschichtoberfläche 32 zu führen. Beispielsweise wird während der Herstellung oder Bearbeitung des Bauteils 3 der Elektronenstrahl gemäß einem Strahlführungsmuster über die Baumaterialschichtoberfläche 32 geführt.
Dazu weist die Strahlführungseinrichtung 20 eine Strahlablenkeinrichtung 24 zur Ablenkung des von dem Elektronenstrahlgenerator 10 erzeugten Elektronenstrahls (Elektronenstrahlabschnitt ei) auf. Ein Beispiel für eine Strahlablenkeinrichtung, die eine schnellen Steuerung der Ablenkung eines Elektronenstrahls erlaubt, ist aus der eingangs genannten EP 1 885 059 A2 bekannt.
Die Strahlführungseinrichtung 20 weist ferner eine Strahlausrichteinrichtung 26 auf. Die Strahlausrichteinrichtung 26 ist dazu ausgebildet, den von der Strahlablenkeinrichtung 24 abgelenkten Elektronenstrahl (Elektronenstrahlabschnitt eii) in eine Einfallsrichtung auf die Baumaterialschichtoberfläche 32 auszurichten. Dabei erfolgt die Ausrichtung derart, dass ein Einfallswinkel α des von der Strahlausrichteinrichtung 26 ausgerichteten Elektronenstrahls (Elektronenstrahlabschnitt eiii) auf die Baumaterialschichtoberfläche 32 für die verschiedenen Arbeitspositionen Pi auf der Baumaterialschichtoberfläche 32 in einem vorbestimmten Einfallswinkelbereich liegt.
In den Figuren ist der Einfallswinkel α der Winkel zwischen dem Elektronenstrahl im Elektronenstrahlabschnitt eiii und der Baumaterialschichtoberfläche 32.
Der auf die Baumaterialschichtoberfläche 32 einfallende Elektronenstrahl (Elektronenstrahlabschnitt eiii) versintert das Baumaterial 33 innerhalb einer Wechselwirkungszone 36 und erzeugt oder bearbeitet dabei das Bauteil 3. Aufgrund des einheitlichen Einfallswinkels α für die Arbeitspositionen Pi wechselwirkt der Elektronenstrahl in einheitlich ausgebildeten Wechselwirkungszonen 36 mit dem Baumaterial an den Arbeitspositionen Pi. Somit können gewünschte, beispielsweise einheitliche, Temperaturverteilungen und Formgebungen der Wechselwirkungszonen 36 unabhängig von der Lage einer spezifischen Position Pi auf der Baumaterialschichtoberfläche 32 ausgebildet werden. Bevorzugt wird der Elektronenstrahl im Elektronenstrahlabschnitt eiii) unter einem im Wesentlichen senkrechten Einfallswinkel auf die Baumaterialschichtoberfläche 32 treffen. Beispielsweise liegt der Einfallswinkel α in einem Bereich von 90° ± 10°, insbesondere von 90° ± 4° bzw. 90° ± 3°.
Nach der Bestrahlung der entsprechend mit der Baumaterialzuführungseinrichtung 34 vorbereiteten Baumaterialschichtoberfläche 32 mit dem Elektronenstrahl gemäß einem Strahlführungsmuster kann eine Ablenkung des gesinterten Bauteils 3 und des nicht versinterten Baumaterials 33 mittels einer vertikalen Positioniereinrichtung 40 erfolgen. Anschließend wird mit der Baumaterialzuführungseinrichtung 34 erneut Baumaterial 33 zugeführt, um eine neue Baumaterialschicht zur Ausbildung einer neuen Baumaterialschichtoberfläche 32 bereitzustellen.
Zusätzlich zur vertikalen Positionierung kann die Bauteileinrichtung 30 mittels einer lateralen Positioniereinrichtung 42 beispielsweise in der Ebene der Baumaterialschichtoberfläche 32 seitlich verschoben werden oder innerhalb der durch die Baumaterialschichtoberfläche 32 definierten Ebene gedreht werden.
Die Bewegungsrichtungen bei der vertikale Positionierung und der laterale Positionierung sind in 1 schematisch durch die Pfeile 44 und 45 angedeutet.
Der Bereich der Arbeitspositionen Pi, zu denen der Elektronenstrahl (Elektronenstrahlabschnitt eiii) geführt werden kann, stellt einen von der Strahlführungseinrichtung 20 zur Verfügung gestellten Bearbeitungsbereich dar. Die Strahlführungseinrichtung 20 kann zum Bereitstellen eines eindimensionalen oder zweidimensionalen Bearbeitungsbereichs ausgebildet sein.
Ein eindimensionaler Bearbeitungsbereich bedingt eine eindimensionale Ablenkung des Elektronenstrahls, ein zweidimensionaler Bearbeitungsbereich bedingt eine zweidimensionale Ablenkung des Elektronenstrahls mit entsprechend ausgebildeten Strahlablenkeinrichtungen. In den 3A bis 14 werden beispielhafte Ausführungsformen von Strahlausrichteinrichtungen für Strahlablenkeinrichtungen, die eine ein- oder zweidimensionale Ablenkung ermöglichen, beschrieben.
Bei beispielsweise einer eindimensionalen Ablenkung in der Strahlablenkeinrichtung 24 kann die Strahlausrichteinrichtung 26 dazu ausgebildet sein, eine lineare Bearbeitungszone mit beispielsweise einem im Wesentlichen senkrechten Einfallswinkel auf die Baumaterialschichtoberfläche bereitzustellen.
Erlaubt die Strahlablenkeinrichtung 24 eine Ablenkung des Elektronenstrahls (Elektronenstrahlabschnitt ei) in zwei z. B. orthogonalen Richtungen, kann die Strahlausrichteinrichtung 26 dazu ausgebildet sein, beispielsweise zwei sich kreuzende lineare Bearbeitungszonen mit einheitlichem Einfallswinkel des Elektronenstrahls bereitzustellen.
Erlaubt die Strahlablenkeinrichtung 24 die Ablenkung des Elektronenstrahls (Elektronenstrahlabschnitt ei) auf im Wesentlichen beliebige Punkte einer Fläche, beispielsweise einer Kreisfläche, einer halbkreisförmigen Fläche oder einer Fläche eines Winkelausschnitts eines Kreises, kann die Strahlausrichteinrichtung 26 dazu ausgebildet sein, in einem ebenso ausgeformten Bearbeitungsbereich einen einheitlichen Einfallswinkel des Elektronenstrahls (Elektronenstrahlabschnitt eiii) auf die Baumaterialschichtoberfläche 32 bereitzustellen.
Ferner kann die Elektronenstrahlanlage 1 eine Steuerungseinrichtung 50 aufweisen. Die Steuerungseinrichtung 50 kann beispielsweise einen Speicher zur Speicherung eines digitalen Strahlführungsmusters aufweisen. Das digitale Strahlführungsmuster definiert beispielsweise eine Abfolge von zu bestrahlenden Arbeitspositionen Pi, auf die der Elektronenstrahl (Elektronenstrahlabschnitt eiii) auf der Baumaterialschichtoberfläche 32 jeweils für eine bestimmte Zeitdauer gelenkt werden soll. Das digitale Strahlführungsmuster kann dabei beispielsweise schichtweise auf die Struktur des zu erzeugenden oder zu bearbeitenden Bauteils 3 angepasst sein.
Die Steuerungseinrichtung 50 weist ferner eine Steuerschaltung auf. Die Steuerschaltung ist zur Ansteuerung der Strahlablenkeinrichtung 24 zur Ablenkung des Elektronenstrahls gemäß dem Strahlführungsmuster ausgebildet, wobei für die Strahlführung die Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit der Strahlausrichteinrichtung 26 berücksichtig wird.
Ferner kann die Elektronenstrahlanlage 1 eine Strahlfokussiereinrichtung 22 aufweisen. Die Strahlfokussiereinrichtung 22 kann beispielsweise eine schnelle Fokuslinse aufweisen. Der von dem Elektronenstrahlgenerator 10 austretenden Elektronenstrahl (Elektronenstrahlabschnitt ei) wird üblicherweise durch gewisse Strahlparameter wie z. B. Elektronenstrahlenergie, Elektronenstrahldivergenz, Elektronenstrahlleistung, Elektronenstrahldichte, Elektronenstrahldurchmesser, etc. gekennzeichnet. Die Strahlfokussiereinrichtung 22 beeinflusst den Elektronenstrahl insbesondere in seiner Divergenz. Beispielsweise kann sie einen Fokuspunkt des Elektronenstrahls in einem vorgegebenen Abstand einstellen. In einer Ausführungsform kann der Fokus des Elektronenstahls im Fall ohne Ablenkung (z. B. Elektronenstrahl e0 in 1) mittels der Strahlablenkeinrichtung 24 nach dem Durchtritt durch die Strahlführungseinrichtung 20 auf der Baumaterialschichtoberfläche 32 in einer Position P0 der Positionen Pi liegen.
Weitere Korrekturen von Fokuseigenschaften können ferner beispielsweise mittels eines oder mehreren in dem Elektronenstrahlgenerator 10 angeordneten Stigmatoren durchgeführt werden.
Allgemein wird eine Ablenkung des Elektronenstrahls die Länge des Elektronenstrahlweges bis zur Baumaterialschichtoberfläche 32 verändern. In der Ausführungsform in 1 bewirkt ein Ablenkung des Elektronenstrahls (Elektronenstrahlwege e1, e2, e3, e4) mit der Ablenkeinrichtung eine Zuführung des Elektronenstrahls auf Arbeitspositionen Pi, die weiter weg vom Strahlgenerator 10 liegen als die Position PO des nicht abgelenkten Elektronenstrahls (Elektronenstrahlweg e0 in 1). Ist es gewünscht, den Elektronenstrahlfokus auch für diese Arbeitspositionen Pi auf die Baumaterialschichtoberfläche 32 zu legen, kann mithilfe der schnellen Fokuslinse der Strahlfokussiereinrichtung 22 die Fokusposition nachgeführt und an die vorgenommene Ablenkung, d. h. Arbeitsposition Pi angepasst werden. Dabei wird in der Ausführungsform gemäß 1 beispielsweise bei größerer Ablenkung und demzufolge längerem Elektronenstrahlweg der Elektronenstrahl leicht defokussiert, um den Fokus entlang des Ausbreitungswegs des Elektronenstrahls nach hinten auf die Baumaterialschichtoberfläche 32 zu verschieben. Auch können Fokuspositionen ober- oder unterhalb der Baumaterialschichtoberfläche 32 eingestellt werden.
Zusätzlich oder alternativ kann die Strahlausrichteinrichtung 26 ausgebildet werden, um eine z. B. an die Fokusabweichung aufgrund der Weglängenänderung angepasste fokussierende Wirkung auf den Elektronenstrahl zu haben.
In alternativen Ausführungsformen kann die Strahlausrichteinrichtung für weniger abgelenkte Elektronenstrahlen eine zusätzlich fokussierende Wirkung aufweisen, so dass ebenfalls wieder unabhängig von den Arbeitspositionen Pi auf der Baumaterialschichtoberfläche 32 der Fokus auf der Baumaterialschichtoberfläche 32 zu liegen kommt.
In anderen Ausführungsformen können unterschiedlich abgelenkte Elektronenstrahlen unterschiedlich lange Wege zur Baumaterialschichtoberfläche 32 aufweisen, so dass beispielsweise stärker abgelenkte Elektronenstrahlen mittels z. B. der schnellen Fokuslinse oder der Strahlausrichteinrichtung nachfokussiert werden können.
2 zeigt schematisch ein Flussdiagramm, das den Betrieb einer Elektronenstrahlanlage mit einer Strahlausrichteinrichtung, beispielsweise der Elektronenstrahlanlage 1 aus 1, verdeutlicht. Insbesondere kann die Steuerung des Elektronenstrahls mit der Steuerungseinrichtung 50 gemäß dem Flussdiagramm durchgeführt werden.
Für eine schichtweise Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils mit einer Elektronenstrahlanlage wird ein Baumaterial, z. B. ein Sinterpulver, zur Ausbildung einer Bearbeitungsschicht verteilt (Schritt 100), wodurch eine Baumaterialschichtoberfläche erzeugt wird. Falls notwendig kann gleichzeitig oder zeitversetzt eine vertikale und laterale Positionierung der Baumaterialschichtoberfläche bezüglich eines Bestrahlungsbereichs der Strahlführungseinrichtung der Elektronenstrahlanlage durchgeführt werden (Schritt 110).
Daraufhin erfolgt die Bestrahlung des Baumaterials gemäß einem Strahlführungsmuster (Schritt 120). Die Bestrahlung umfasst dabei zum einen die Erzeugung eines Elektronenstrahls mit entsprechenden Parametern, z. B. Elektronenstrahlenergie, Elektronenstrahlleistung, Elektronenstrahldichte, Elektronenstrahldurchmesser, Elektronenstrahldivergenz, etc. (Schritt 122).
Anschließend erfolgt ein Ablenken des erzeugten Elektronenstrahls, um die verschiedenen Arbeitspositionen auf der Schicht des Baumaterials gemäß dem Strahlführungsmuster quasi gleichzeitig zu bestrahlen (Schritt 124).
Mittels einer Strahlausrichteinrichtung wird dann der jeweils abgelenkte Elektronenstrahl in seiner Einfallsrichtung auf die Baumaterialschichtoberfläche derart ausgerichtet, dass der Einfallswinkel des von der Strahlausrichteinrichtung ausgerichteten Elektronenstrahls auf die Baumaterialschichtoberfläche für die jeweiligen Arbeitspositionen auf der Baumaterialschichtoberfläche in einem vorbestimmten Einfallswinkelbereich liegt (Schritt 126).
Ein derart auf die Baumaterialschichtoberfläche geführter Elektronenstrahl bewirkt dann ein Verschmelzen des Baumaterials gemäß dem Strahlführungsmuster (Schritt 130).
Die zuvor beschriebene Abfolge von Schritten 100 bis 130 kann iterativ für aufeinander folgende Schichten wiederholt werden, wobei die jeweils erneut mit Baumaterial ausgebildete Bearbeitungsschicht gemäß einem schichtspezifischen Bestrahlungsmuster bestrahlt wird, um das Bauteil zu erzeugen oder zu bearbeiten.
Im Folgenden werden verschiedene Strahlausrichteinrichtungen beispielhaft beschrieben. Allgemein können Strahlausrichteinrichtungen elektrisch und/oder magnetisch und/oder elektromagnetisch mit dem Elektronenstrahl wechselwirken. Eine Strahlausrichteinrichtung ist derart ausgebildet, eine Ablenkung entgegen der Ablenkung des Elektronenstrahls, die von der Strahlablenkeinrichtung bewirkt wurde, zur Ausrichtung des Elektronenstrahls auf einen Einfallswinkel in dem vorbestimmten Einfallswinkelbereich hervorzurufen.
Ferner kann die elektrische und/oder magnetische und/oder elektromagnetische Wechselwirkung eine bereits angesprochene Nachfokussierung bzw. Defokussierung bewirken.
Beispielsweise können die elektrischen und/oder magnetischen und/oder elektromagnetischen Felder einer Strahlausrichteinrichtung in Richtung der Ablenkrichtung durch die Strahlablenkeinrichtung in ihrer Feldstärke variieren. Alternativ oder zusätzlich kann die Ausdehnung des elektrischen und/oder magnetischen und/oder elektromagnetischen Feldes entlang des Weges des Elektronenstrahls für verschiedene Arbeitspositionen variieren.
Die 3A und 3B zeigen schematisch beispielhafte Ausführungsformen einer Strahlausrichteinrichtung für eine Strahlablenkeinrichtung, die eine eindimensionale Ablenkung des Elektronenstrahls ermöglicht. Derartige hinsichtlich einer eindimensionalen Ablenkung ausgelegte Strahlausrichteinrichtungen werden hierin auch als lineare Strahlausrichteinrichtungen bezeichnet.
3A zeigt eine lineare Strahlausrichteinrichtung 326A basierend auf einen hufeisenförmigen Magneten, bei dem der Abstand zwischen Polseiten 300 und 310 mit zunehmendem Abstand von einer Verbindungsbrücke 320 zunimmt, so dass die Magnetfeldstarke zwischen den Polseiten 300 und 310 bei Annäherung an die Verbindungsbrücke 320 zunimmt. Ein Beispiel für einen derartigen Magneten ist ein Permanentmagnet mit einer hufeisenförmigen Verlängerung.
3B zeigt eine lineare Strahlausrichteinrichtung 326B, bei der das Magnetfeld mittels einer Magnetspule 330 und einem hufeisenförmigen Magnetkern 340 erzeugt wird. Die Formgebung des Magnetkerns 340 entspricht dabei der Formgebung des in 3A dargestellten Magneten, so dass die Magnetfeldstärke zwischen Polseiten 350 und 360 des Magnetkerns 340 bei Annäherung an die Magnetspule 330 zunimmt.
Die in den 3A und 3B gezeigte hufeisenförmige Formgebung des Magneten bzw. Magnetkerns ist rein schematisch. Für eine bestimmte Ausprägung des Magnetfeldes, d. h. dem Feldlinienverlauf und der Feldstärke, kann die Formgebung in der durch die Polseiten gebildeten Ebene modifiziert werden. Z. B. kann in einer geschwungenen Formgebung im Mittelbereich eine schnelle Annäherung (oder Entfernung) der Polseiten erfolgen, als es bei der gezeigten linearen Formgebung der Polseiten der Fall ist.
Ferner kann die Formgebung zusätzlich in der Querschnittsebene der Polseiten modifiziert werden, um einen speziellen fokussierenden/defokussierenden Einfluss auf den durchtretenden Elektronenstrahl auszuüben.
4 verdeutlicht beispielhaft die Anordnung und die Funktionsweise einer linearen Ausrichteinrichtung am Beispiel der Ausrichteinrichtung gemäß 3B. In einer Aufsicht zeigt 4 die Anordnung der in 3B beschriebenen Magnetspule mit hufeisenförmigem Magnetkern bezüglich eines Pulverbetts 400 einer nicht weiter dargestellten Bauteileinrichtung einer Elektronenstrahlanlage.
Das Pulverbett 400 ist beispielsweise kreisförmig ausgebildet und eine laterale Positioniereinrichtung erlaubt eine Rotation des Pulverbettes um einen Strahlnulldurchgang 410 eines beispielsweise im Wesentlichen nicht von der Ablenkeinrichtung abgelenkten Elektronenstrahls. Die Rotation ist in 4 durch den Doppelpfeil 415 angedeutet.
Die Strahlablenkeinrichtung erlaubt es, den Elektronenstrahl in einer Richtung abzulenken. Der zugehörige Ablenkbereich erstreckt sich mittig zwischen den Magnetpolen 300, 310 des Magnetkerns, ausgehend vom Strahlnulldurchgang 410, d. h. vom Zentrum der Pulverbetts 400, radial nach außen. Die Magnetspule 330 und der Magnetkern sind als Ausrichteinrichtung ausgebildeten.
Durch Bestromen der Magnetspule 330 bildet sich zwischen den Polseiten des Magnetkerns ein Magnetfeld B aus, das durch Pfeile 430 in 4 schematisch angedeutet ist. Die zunehmende Dichte der Pfeile mit zunehmendem Abstand vom Strahlnulldurchgang 410 verdeutlicht, dass ein stärker abgelenkter Elektronenstrahl einem stärkeren Magnetfeld ausgesetzt wird, so dass jeweils eine der Ablenkung entsprechende Ausrichtung des Elektronenstrahls auf eine Baumaterialschichtoberfläche auf dem Pulverbett 400 durch das Magnetfeld B bewirkt wird. Somit wird eine dem Ablenkbereich zugehörige lineare Bearbeitungszone 421 auf dem Pulverbett 400 erzeugt, in der der Einfallswinkel des Elektronenstrahls in einem vorbestimmten Winkelbereich liegt.
Bei der Herstellung oder Bearbeitung des Bauteils 3 kann das Pulverbett 400 z. B. kontinuierlich oder schrittweise rotiert werden, um den Elektronenstrahl auf den jeweils aufzubauenden Bereich des Bauteils 3 abzulenken und auszurichten. Beispielsweise fällt der Strahlnulldurchgang 410 mit der Rotationsachse des Pulverbetts 400 zusammen. Zur Ausrichtung des Elektronenstrahls auf alle Bereiche der Baumaterialschichtoberfläche kann in 4 eine Drehbarkeit des Pulverbetts 400 um 360° vorgesehen sein.
Alternativ oder ergänzend kann eine Drehung der Ausrichteinrichtung, hier der Magnetspule 330 und des Magnetkerns, vorgesehen sein. Beispielsweise sind die Drehbarkeit des Pulverbetts 400 und die Drehbarkeit der Ausrichteinheit so vorgesehen, dass sie gemeinsam Bestrahlung der gesamten Baumaterialschichtoberfläche ermöglichen, evtl. mit einem Überlappungsbereich der Drehbereiche. Ist eine Drehung der Ausrichteinrichtung vorgesehen, ist vorzugsweise eine zweidimensionale Ablenkung mit der Ablenkvorrichtung möglich, wie sie z. B. mit der aus der zuvor genannten EP 1 885 059 A2 bekannten schneller Strahlablenkungsvorrichtungen ermöglicht wird.
Die Strahlführungseinrichtung mit der Strahlausrichteinrichtung gemäß 4 erlaubt eine Herstellung von großen Bauteilen durch den Einsatz von Pulverbetten mit großen Durchmessern von z. B. mindestens 0,5 m und größer, beispielsweise mindestens 1 m oder 1,5 m oder größer.
Wie zuvor beschrieben kann der Vorteil der Ausrichtung des Elektronenstahls allerdings auch bei kleineren Durchmessern von Pulverbetten von beispielsweise 5 cm, 10 cm, 20 cm, genutzt werden, z. B. insbesondere dann, wenn eine hohe räumliche Genauigkeit bei der Bereitstellung und Orientierung von Wechselwirkungszonen gewünscht wird.
5 zeigt ein Ort-Zeit-Diagramm einer beispielhaften Abhängigkeit der Bestrahlungsdauer T vom radialen Abstand r vom Nulldurchgang im Fall eines rotierenden Pulverbettes bei einer linearen Ablenkung und einer linearen Ausrichteinrichtung.
Die gestrichelte Linie deutet eine für den Sintervorgang benötigte Bestrahlungsdauer an, die ein gleichmäßiges Sintern an allen radialen Positionen unter Drehung des Pulverbetts ermöglicht. Wird gemäß der durchgezogenen Linie bestrahlt, ergibt sich ein Sintern im Innenbereich sowie im Außenbereich und kein Sintern im Mittelbereich (z. B. zur Kühlkanalausbildung).
Beispielhaft wird die in 5 gezeigte Abhängigkeit anhand der in 4 dargestellten Anordnung erläutert, bei der der Elektronenstrahl auf die Mitte des Pulverbetts 400 trifft. Die beispielsweise aus der EP 1 885 059 A2 bekannte Ansteuerungstechnik zur Ablenkung eines Elektronenstrahls ermöglicht beispielsweise eine flexibel zuteilbare Bestrahlungsdauer in der Bearbeitungszone 421, wie sie in 5 angedeutet ist.
Gemäß 5 ist im radial innen liegenden Bereich eine kurze Bestrahlungsdauer T und im radial außen liegenden Bereich eine längere Bestrahlungsdauer T vorgesehen. Denn aufgrund der Rotation wandert ein radial innen liegender Bereich langsamer aus der Strahlablenkzone 420 heraus als ein radial außen liegender Bereich, so dass bei der Bestrahlung eines um einen kleinen Winkel gedrehten Pulverbetts im wesentlichen der gleiche innere Bereich, aber ein neuer äußerer Bereich bestrahlt wird und entsprechend für ein Pulverbettstellung mehr Energie, d. h. eine längere Bestrahlungsdauer, im äußeren Bereich zugeführt werden muss, um eine ausreichende Wechselwirkung (z. B. Temperatureintrag) der Elektronen mit dem Baumaterial bereitzustellen.
Es wird darauf hingewiesen, dass in 5 die angegebenen Bestrahlungszeiten T und radialen Entfernungen r nur beispielhaft zur Verdeutlichung des Konzepts angegeben sind, aber im Allgemeinen von den Strahlparametern des Elektronenstrahls, wie z. B. Elektronenstrahlenergie, Elektronenstrahldichte, Elektronenstrahldurchmesser, kontinuierlicher Elektronenstrahl, gepulster Elektronenstrahl etc., abhängen.
In einer weiteren Ausführungsform kann einer ersten linearen Strahlausrichteinrichtung eine zweite lineare Strahlausrichteinrichtung gegenüberliegend angeordnet sein (paarweise Anordnung linearer Strahlausrichteinrichtungen), so dass ein beidseitig vom Strahlnulldurchgang ablenkbarer Elektronenstrahl von einer der beiden Strahlausrichteinrichtungen ausgerichtet werden kann. Eine entsprechende Weiterbildung einer derartigen paarweisen Anordnung linearer Strahlausrichteinrichtungen ist schematisch in 6 dargestellt.
6 zeigt eine Anordnung zweier orthogonal angeordneter Paare von hufeisenförmigen Magneten 626 gemäß 3A, die auf einen kreuzförmigen Ablenkbereich einer zweidimensional Ablenkeinrichtung angepasst sind und entsprechend zu einer kreuzförmigen Bearbeitungszone 621 auf dem Pulverbett 400 führen.
Bei entsprechend schneller Ablenkung des Elektronenstrahls in den kreuzförmigen Ablenkbereich während der Rotation des Pulverbetts 400 erlaubt die in 6 dargestellte Ausführungsform das Bestrahlen einer größeren Fläche, vorausgesetzt, dass der zugehörige Elektronenstrahlgenerator einen Elektronenstrahl mit den entsprechenden Strahlparametern, z. B. der benötigten Elektronenstrahlleistung, bereitstellen kann.
Im Prinzip entspricht die Vorgehensweise bei der Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils mit der in 6 dargestellten Ausführungsform der Vorgehensweise wie sie in Verbindung mit 4 beschrieben wurde. D. h., der Elektronenstrahl wird ausgehend von einem Strahlnulldurchgang 610 in die beiden beispielsweise orthogonale Arme des kreuzförmigen Ablenkbereichs geführt. Dabei wird die Bestrahlungsdauer gemäß der vorgenommenen Rotation in Abhängigkeit des radialen Abstands der Arbeitspositionen Pi vom Strahlnulldurchgang 610 angepasst. Beispielsweise fällt der Strahlnulldurchgang 610 mit der Rotationsachse des Pulverbetts 400 zusammen.
In dieser Ausführungsform ist beispielsweise eine Drehbarkeit des Pulverbetts 400 und/oder der Magneten 626 um 90° (plus einem Überlappungsbereich) ausreichend, um den Elektronenstrahl auf alle Bereiche der Baumaterialschichtoberfläche zu richten.
Zur Verdeutlichung einer weiteren möglichen funktionalen Ergänzung einer Elektronenstrahlvorrichtung weist die in 6 dargestellte Ausführungsform zusätzlich Detektionsvorrichtungen 640 zur Detektion von bei der Herstellung oder Bearbeitung rückgestreuter Elektronen auf. In 6 sind beispielhaft vier Detektionsvorrichtungen 640 zwischen den Magneten 626 derart ausgebildet und angeordnet, dass eine Detektion von rückgestreuten Elektronen während der Bestrahlung ermöglicht wird.
Derartige Detektionsvorrichtungen detektieren vorwiegend rückgestreute Elektronen, die am Bauteil oder an dem Baumaterial in Richtung der verschiedenen strukturellen Komponenten der Strahlausrichteinrichtung, im Fall der 6 in Richtung der die vier Magneten 626 rückgestreut werden. Die Detektionsvorrichtungen sind beispielsweise seitlich unterhalb der Magnete 626 angeordnet.
Derartige Detektionsvorrichtungen können allgemein bei der Verwendung von Strahlausrichteinrichtungen und insbesondere bei den hierin beschriebenen Strahlführungsvorrichtungen eingesetzt werden.
Die Detektionsvorrichtungen können mit Strahlausrichteinrichtungen kombiniert und an diese in ihren Ausmaßen angepasst werden. Beispielsweise können die Detektionsvorrichtungen zwischen der Baumaterialschichtoberfläche und der Ausrichteinrichtung, auf der der Ablenkeinrichtung zugewandten Seite der Ausrichteinrichtung und/oder zwischen strukturellen Komponenten der Ausrichteinrichtung angeordnet sein. Wenn möglich sollten die möglichen Elektronenstrahlwege der Strahlführungseinrichtung nicht von den Detektionsvorrichtungen beeinflusst werden (d. h., z. B. keine Behinderung oder Ablenkung).
Die Detektion von rückgestreuten Elektronen erlaubt Rückschlüsse auf die Struktur des erzeugten oder bearbeiteten Bauteils 3, anhand derer beispielsweise das Bestrahlungsmuster während der Bestrahlung angepasst oder die Qualität des erzeugten oder bearbeiteten Bauteils 3 beurteilt werden kann.
Beispielsweise kann während einer Bearbeitung eines Bauteils durch die Verwendung von Detektionsvorrichtungen bei Aufrechterhaltung der Wechselwirkungszonen, insbesondere der darin vorliegenden Temperaturverteilung, durch Erfassung der rückgestreuten Elektronen ein Bild des abgetasteten Oberflächenbereichs erzeugt werden. Dazu kann der Elektronenstrahl beispielsweise in kurzen Zeitintervallen interessierende Oberflächenbereiche des Bauteils mit einem Detektionsabtastmuster abtasten. Das Detektionsabtastmuster kann dabei dem Bestrahlungsmuster überlagert oder zwischengeschaltet werden.
Die 7A und 7B verdeutlichen als Seiten- bzw. Aufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elektronenstrahlanlage mit einer Strahlausrichteinrichtung, die den Elektronenstrahl mittels eines elektrischen Feldes ausrichtet.
7A zeigt eine schematische Seitenansicht einer Elektronenstrahlanlage 701 mit einem Elektronenstrahlgenerator 710, einer Elektronenstrahlfokussiereinrichtung 722, einer Ablenkeinrichtung 724 und einem Pulverbett 738. Zur Verdeutlichung zeigt 7B schematisch eine Aufsicht auf die Strahlausrichteinrichtung der Elektronenstrahlanlage 701.
Zur Ausrichtung des Elektronenstrahls weist die Elektronenstrahlanlage 701 eine Ausrichteinrichtung auf, die eine Zentralelektrode 726A und eine radial außen angeordnete Außenelektrode 726B aufweist. Mit einer Spannungsversorgung kann beispielsweise die innere Elektrode 726A auf eine Spannung von einem Kilovolt und mehr und die radial außen liegende Außenelektrode 726B auf eine Spannung von –10 kV oder einigen –10 kV gelegt werden.
Zusätzlich können im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet Elektroden 728A, 728B, 728C zur Optimierung des elektrischen Feldverlaufs vorgesehen werden. Die Elektroden 728A, 728B, 728C (beispielsweise aus Metall) können auf definierte Potentiale, z. B. auf Spannungen von –1 kV, –2 kV und –5 kV, gelegt werden, um einen gewünschten Feldverlauf im Raum zu erhalten. Alternativ können alle oder einige der Elektroden 728A, 728B, 728C aus einem Hochwiderstandsmaterial ausgebildet werden.
Die Elektroden können beispielsweise plattenförmig ausgebildet und planar oder so gebogen sein, dass sich der gewünschte Elektronenstrahlverlauf einstellt. Die Elektroden können insbesondere als Plattenstapel ausgebildet sein, der in einem schmalen Bereich entlang des Radius unterbrochen ist, durch den der abgelenkte Elektronenstrahl tritt.
Zur Unterdrückung von Glimmentladungen kann der Aufbau in einem geerdeten Käfig mit einem Eintrittsspalt und einem Austrittsspalt vorgesehen sein.
Ein sich zwischen den Elektroden ausbildendes elektrisches Feld E ist in den 7A und 7B schematisch angedeutet.
Ferner sind in 7A und 7B drei beispielhafte Elektronenstrahlwege gezeigt: ein Nulldurchgangsweg e0, der üblicherweise von den Elektronen ohne Aktivierung der Ablenkeinrichtung 724 zurückgelegt wird, sowie zwei abgelenkte Elektronenstrahlwege e1, e2, die bei mittlerer bzw. starker Ablenkung von den Elektronen zurückgelegt werden. Durch die eindimensionale Ablenkbarkeit des Elektronenstrahls kann das Baumaterial im Pulverbett 738 innerhalb einer linearen Bestrahlungszone 721 bestrahlt werden. Durch Rotation des Pulverbetts 738 kann, wie in Zusammenhang mit 4 beschrieben, die Bestrahlungszone 721 auf verschiedene Bereiche des Pulverbetts 738 ausgerichtet werden.
In der gezeigten Ausführungsform kann der Nulldurchgangsweg e0, entlang dem die Elektronen im Wesentlichen keine Ablenkung erfahren, das elektrische Feld E im Bereich keiner oder nur einer geringen Feldstärke durchtreten. Dieser Bereich kann beispielsweise mit den Elektroden 728A, 728B, 728C eingestellt werden. Der Nulldurchgangsweg e0 kann ferner mit der Rotationsachse des Pulverbetts 738 zusammengelegt werden.
Die 7A und 7B zeigen ferner zwei beispielhafte Bereiche 740A, 740B, in denen Detektionsvorrichtungen angeordnet werden können.
In einigen Ausführungsformen einer Strahlausrichteinheit ähnlich der in 7A und 7B gezeigten kann die innere Elektrode 726A nicht vorgesehen werden, so dass die üblicherweise auf GND liegende Umwandung der Elektronenstrahlanlage den Feldverlauf mitbestimmt.
8 zeigt als weiteres Beispiel für eine lineare Bestrahlungszone 829 eine Strahlausrichteinheit, die auf der Ausbildung eines elektrischen Quadrupol-Feldes basiert. Dazu werden sich paarweise gegenüberliegende Elektroden 826A und 826B mit positiven bzw. negativen Spannungen, z. B. +5 kV und –5 kV oder einigen +10 kV und einigen –10 kV, belegt. Dadurch bildet sich ein Quadrupol-Feld aus, das in 8 durch Äquipotentiallinien U und Feldvektoren 852 schematisch angedeutet wird. Die lineare Bestrahlungszone 829 auf dem Pulverbett 838 erstreckt sich zwischen den auf negativen Spannungen liegenden Elektroden 826A beidseitig eines Nulldurchgangsweges e0. Die Elektroden 826A und 826B können beispielsweise als hyperbel- oder kreisförmige Elektroden ausgebildet werden.
Zusammen mit einer Drehbarkeit der Strahlausrichteinheit und/oder des Pulverbetts 838 um 180° kann die lineare Bestrahlungszone 829 derart über das Pulverbett 838 geführt werden, dass der Elektrodenstrahl auf alle Bereiche desselben gerichtet werden kann.
Zusätzlich oder alternativ kann eine Umpolung der gegenüberliegende Elektroden 826A und 826B eine Umorientierung der linearen Bestrahlungszone 829 bewirken, so dass die benötigte Drehbarkeit auf 90° reduziert werden kann.
In den 9A, 9B und 9C und 10 sind beispielhaft schematische Querschnittsansichten von Strahlausrichteinrichtungen dargestellt, die eine Bestrahlung von auf einer Fläche beliebig angeordneten Arbeitspositionen ermöglichen. Der Schnitt erfolgt jeweils entlang eines zentralen nicht abgelenkten Elektronenstrahlweges e0. Die Strahlausrichteinrichtungen bewirken die Ausrichtung eines Elektronenstrahls, wobei der Elektronenstrahl von einer zugehörigen zweidimensionalen Strahlablenkeinrichtung beliebig auf Punkte einer Fläche abgelenkt werden kann. Derartige Ausführungsformen erlauben eine Bestrahlung einer Fläche, ohne dass z. B. ein Pulverbett verschoben oder gedreht wird.
In den 9A, 9B, 9C und 10 ist jeweils schematisch eine Strahlablenkeinrichtung 924, 1024 sowie eine Baumaterialschichtoberfläche 932, 1032 gezeigt. Mit den Ausrichteinrichtungen wird der abgelenkte Elektronenstrahl durch entsprechend ausgebildeten Feldverläufe vor dem Auftreffen auf die Baumaterialschichtoberfläche 932, 1032 des Pulverbetts ausgerichtet, wobei es in den 9A, 9B und 9C ein magnetisches Feld B und in 10 ein elektrisches Feld (dargestellt durch Potentiallinien U) ist, das mit den Elektronen wechselwirkt. Anhand von beispielhaften Elektronenstrahlwegen e0, e1, e2, e3, e4 wird jeweils die Ausrichtung des Elektronenstrahls bezüglich verschiedener Punkte Pi auf der Baumaterialschichtoberfläche 932, 1032 verdeutlicht.
In der in 9A gezeigten Ausführungsform umfasst eine Strahlausrichteinrichtung 926A einen ringförmig ausgebildeten Magneten 905. Beispielsweise kann als Magnet ein Magnetkern mittels mehrerer Spulen 910A, von denen eine im Schnitt auf der linken Seite angedeutet ist, magnetisiert werden. Alternativ kann als Magnet ein im Schnitt auf der rechten Seite angedeutete Permanentmagnet mit einer hufeisenförmigen Verlängerung eingesetzt werden.
Die ablenkende Wirkung des Magnetfeldes steigt nach außen hin. So ist die Stärke des Magnetfeldes B im Mittenbereich des ringförmig ausgebildeten Magnetkerns 905 am geringsten und nimmt mit radialem Abstand zu. Bei symmetrischer Anordnung und zentralem Durchgang des Elektronenstrahls mit Elektronenstrahlweg e0 wird dieser in seiner Ausbreitungsrichtung nicht vom Magnetfeld beeinflusst. Allerdings werden Elektronenstrahlen mit Elektronenstrahlwegen e1, e2, e3, e4, die von der Ablenkeinrichtung 924 abgelenkt wurden, einem Magnetfeld ausgesetzt, das zu einer der Auslenkungsrichtung entgegen gerichteten Auslenkung führt, wobei sich aufgrund der Bildfelddrehung in der Linse der Strahlauftreffort zusätzlich entland des Umfangs verschieben kann. Die Magnetfeldstärke und die Formgebung des Magnetkerne 905 werden entsprechend derart ausgelegt, dass die Ablenkung durch die Ablenkeinrichtung 924 von der Ablenkung durch das Magnetfeld B kompensiert wird, so dass die Elektronenstrahlen mit Elektronenstrahlwegen e1, e2, e3, e4 unter einem Einfallswinkel einfallen, der im Wesentlichen unabhängig von der Position auf der Baumaterialschichtoberfläche 932 ist. Beispielsweise liegt der Einfallswinkel α der Elektronenstrahlwege e0, e1, e2, e3, e4 in einem Winkelbereich von 90° ± 10°, insbesondere 90° ± 4° bzw. 90° ± 3°.
9B zeigt eine Strahlausrichteinrichtung 926B, bei der das Magnetfeld B durch eine Spule 910B ausgebildet wird. Die Spule 910B stellt in ihrem Inneren einen flächigen Bestrahlungsbereich zur Verfügung, durch den Elektronenstrahlen auf die Baumaterialschichtoberfläche 932 geführt werden. Die Spule 910B wirkt entsprechend einer magnetischen Linse, die die einzelnen Elektronenstrahlwege e0, e1, e2; e3, e4, e5 parallelisiert, so dass die Einfallswinkel α der Elektronenstrahlwege e0, e1, e2, e3, e4 im Wesentlichen gleich sind.
9C zeigt eine Strahlausrichteinrichtung 926C, bei der das Magnetfeld eine Spule 910C durch einen Magnetkern 905C verstärkt wird. Des Weiteren befindet sich im zentralen Bereich, d. h. nahe einer Symmetrieachse 933 der Strahlausrichteinrichtung, ein Zentralmagnet, der z. B. eine Zylinderspule 920 und einen Magnetkern 915 aufweist. Der Zentralmagnet erlaubt es, den Feldverlauf des Magnetfelds zu beeinflussen.
Allerdings blockt der Zentralmagnet die Elektronenstrahlwege im Bereich der Symmetrieachse 933. Die durch den Zentralmagneten der Bestrahlung nicht zugänglichen Arbeitspositionen Pi auf der Baumaterialschichtoberfläche 932 können beispielsweise durch Verschiebung des Pulverbettes und damit der Baumaterialschichtoberfläche 932 kompensiert werden. Der Zentralmagnet kann eine kompaktere Bauweise der Strahlausrichteinrichtung erlauben.
10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Elektronenstrahlanlage 1001 mit einem Elektronenstrahlgenerator 1010, einer Elektronenstrahlfokussiereinrichtung 1022, einer Elektronenstrahlablenkeinrichtung 1024 und einer Strahlausrichteinrichtung 1026.
Die Strahlausrichteinrichtung 1026 ist eine zylindersymmetrische Anordnung von mit elektrischen Spannungen belegten Zylindersegmenten 1026A, 1026B, 1026C. Beispielsweise sind die axial äußeren Zylindersegmente 1026A und 1026C mit einer Spannung von 0 Volt belegt und das zentrale Zylindersegment 1026B mit einer Spannung von 50 kV belegt. In 10 sind beispielhaft Potentiallinien U angedeutet. Ein Elektronenstrahl entlang eines Elektronenstrahlweges e0 entlang einer Zylinderachse 1033 wird von der Strahlausrichteinrichtung 1026 im Wesentlichen nicht abgelenkt. Dagegen sind die radial außen liegenden Elektronenstrahlen entlang der Elektronenstrahlwege e1, e2, e3, e4 einer mit radialem Abstand zunelmender Feldstärke ausgesetzt, so dass die Ausrichtung der Elektronenstrahlen hinsichtlich eines Einfallswinkels α in dem vorbestimmten Einfallswinkelbereich auf die Baumaterialschichtoberfläche 1032 bewirkt wird.
Beispielhaft für 9A bis 10 zeigt 10 einen Bereich 1040, in dem Detektionsvorrichtungen angeordnet werden können.
11 zeigt eine Ausführungsform einer Elektronenstrahlanlage 1101, bei der sich die Anordnung Elektronenstrahlgenerator 1110, Strahlfokussiereinrichtung 1122 und Strahlablenkeinrichtung 1124 nicht mehr axial oberhalb eines Pulverbetts 1100 befindet, sondern seitlich von diesem angeordnet ist. Beispielsweise wird ein Elektronenstrahl von dem Elektronenstrahlgenerator 1110 erzeugt, der sich parallel zu einer Baumaterialschichtoberfläche 1132 des Pulverbetts 1100 ausbreitet. Die Strahlablenkeinrichtung 1124 lenkt den Elektronenstrahl entsprechend aus der horizontalen Ebene heraus.
In der in 11 gezeigten Ausführungsform ist eine Strahlausrichteinrichtung 1126 als Sektormagnet ausgebildet, dessen Feldverteilung je nach Ablenkung des Elektronenstrahls aus der horizontalen ein entsprechendes Magnetfeld entlang des Ausbreitungsweges des Elektronenstrahls bereitstellt, das die Elektronenstrahlen e0, e1, e2 derart ausrichtet, dass ein Einfallswinkel α in einem vorbestimmten Einfallswinkelbereich unabhängig von den Arbeitspositionen Pi auf der Baumaterialschichtoberfläche 1132 des Pulverbetts 1100 vorliegt. Beispielsweise werden die Elektronen eines nicht aus der Horizontalen abgelenkten Elektronenstrahls um 90° nach unten abgelenkt (Elektronenstrahlweg e0). Nach oben abgelenkte Elektronen werden aufgrund des längeren Weges im Sektormagnet entsprechend um mehr als 90° abgelenkt (Elektronenstrahlweg eu) bzw. nach unten abgelenkte Elektronen werden um weniger als 90° abgelenkt (Elektronenstrahlweg ed).
Ist der Sektormagnet dazu ausgebildet, eine lineare Bestrahlungszone vorzusehen, kann das Pulverbett 1100 durch laterale Positionierung und Rotation flächig bestrahlt werden. In alternativen Ausführungsformen kann das Magnetfeld im Sektormagneten derart ausgebildet sein, dass auch eine flächige Bestrahlung des Pulverbetts in einer zweidimensionalen Bestrahlungszone durchgeführt werden kann, wobei für die zweite Dimension evtl. noch eine Regelung des vorgesehen werden kann.
Die 12 und 13 verdeutlichen, wie durch Formgebung beispielsweise eines Magneten oder eines hufeisenförmigen Magnetkerns die Wechselwirkung mit dem Magnetfeld entlang des Elektronenpfades verändert werden kann, insbesondereeine fokussierende bzw. defokussierende Wirkung bereitgestellt werden kann.
12 zeigt schematisch einen hufeisenförmigen Magnetkern, dessen Magnetpole 1210 sich in Ausbreitungsrichtung eines passierenden Elektronenstrahls zum Ende hin verjüngen, d. h., eine Länge L1 des Elektronenstrahls am Ende des Magnetpols 1210 ist kürzer als eine Länge L2 in der Nähe einer Verbindungsbrücke 1220. Bei Verwendung in einer Anordnung gemäß 4 oder 6 kann somit eine Länge des Elektronenstrahlweges zwischen den Magnetpolen 1210 mit dem radialen Abstand variiert werden. Dadurch wird eine verstärkte Wechselwirkung mit dem B-Feld durch den Elektronenstrahl bewirkt.
13 zeigt schematisch eine Aufsicht auf einen Magnetkern mit geschwungen ausgebildeten Magnetpolen 1310, d. h. ein Abstand D eines Elektronenstrahls von den Magnetpolen 1310 ändert sich nicht linear entlang eines Strahldurchtrittbereichs 1321. Bei Verwendung in einer Anordnung gemäß 4 oder 6 kann das auf die Elektronen wirkende Magnetfeld entsprechend der benötigten Ausrichtung eingestellt werden.
In einigen Ausführungsformen kann ein über die gesamte oder einen Teil des Pulverbetts (der Werkstückoberfläche) verfahrbarer zweiter Strahlablenker den Elektronenstrahl ausrichten. Dabei wird die Qualität des Strahls im Wesentlichen nicht beeinflusst. Da sich dieser zweite Strahlablenker schon nahe am Fokuspunkt auf der Werkstückoberfläche befindet und nur noch auf eine kurze Distanz arbeitet, kann der zweite Strahlablenker kleiner ausgebildet sein. Beispielsweise kann der verfahrbare zweite Strahlablenker auf der aus der EP 1 885 059 A2 bekannte Ansteuerungstechnik basieren. Bei einer Verfahrbahrkeit über einen Teil der Werkstückoberfläche ist zusätzlich eine Verschiebbarkeit oder Drehbarkeit des Pulverbetts (der Werkstückoberfläche) vorteilhaft.
Der zweite Strahlablenker kann über eine X-Mechanik (Positionierung in einer linearen Richtung X), X-Y-Mechanik, (Positionierung in zwei linearen Richtungen X und Y) oder eine R-Φ-Mechanik (Positionierung in radialer Richtung R und Drehbarkeit um Winkel Φ) bzgl. der Pulverbett (Werkstückoberfläche) positioniert werden. Bei einer R-Φ-Mechanik zeigt eine Seite des Strahlablenkers immer zum Zentrum, so dass es ausreichend sein kann, dass der Strahlablenker nur für die Ablenkung in einer (radialen) Richtung, insbesondere zum Zentrum hin, ausgebildet ist.
Als ein Beispiel zeigt 14 eine schematische Darstellung einer Elektronenstrahlanlage 1' mit einer Strahlführungseinrichtung 20, die eine erste schnelle Strahlablenkeinrichtung 24A und eine zweite bewegbare, als Strahlausrichteinheit wirkenden schnellen Strahlablenkeinrichtung 24B aufweist. Zur Beschreibung der allgemeinen Funktion der Elektronenstrahlanlage 1' ist auf die Beschreibung der in Zusammenhang mit 1 beschriebenen Elektronenstrahlanlage 1 verweisen.
Die Elektronenstrahlausrichtung erfolgt bei der Elektronenstrahlanlage 1' mit einer zweiten schnellen Strahlablenkeinrichtung 24B, die in Abhängigkeit von einer von der Strahlablenkeinrichtung vorzunehmenden Ablenkung an Orten Oi positioniert und in seinem Feldverlauf entsprechend eingestellt wird.
Beispielsweise kann die zweite schnelle Strahlablenkeinrichtung 24B von der Steuerungseinrichtung 50 eindimensional oder zweidimensional positioniert werden. Z. B. kann eine Positioniervorrichtung eine Verschiebbarkeit der zweiten schnellen Strahlablenkeinrichtung 24B auf diskrete Orte eines horizontalen Koordinatennetzes bereitstellen. Alternativ oder zusätzlich kann die Positioniervorrichtung der zweiten schnellen Strahlablenkeinrichtung 24B eine kontinuierliche Verschiebbarkeit oder eine z. B. eindimensionale radiale Verschiebbarkeit in Kombination mit einer Drehbarkeit um eine Nulldurchgangsachse 1400 bereitstellen. Die Steuerungseinrichtung 50 kann beispielsweise eine Recheneinheit und einen Speicher zur Speicherung eines entsprechenden Positionierungsmusters zur Ansteuerung der Positioniervorrichtung aufweisen.
Im Betrieb kann der Elektronenstrahl quasi zeitgleich mit Positionen Pi in einem Bereich wechselwirken, in den die zweite schnelle Strahlablenkeinrichtung 24B den Elektronenstrahl von einem Ort Oi aus ausrichten kann. Zur Bestrahlung eines größeren Bereichs oder mehrere Bereiche des Pulverbetts wird die zweite schnelle Strahlablenkeinrichtung 24B entsprechend an verschiedene Orten Oi gebracht. Beispielsweise kann das Pulverbett rasterförmig, kontinuierlich oder spiralförmig bestrahlt werden, indem die zweite schnelle Strahlablenkeinrichtung 24B rasterförmig, kontinuierlich oder spiralförmig Orte Oi abfährt.
Ferner kann bei der Bearbeitung/Herstellung mittels des Elektronenstrahls an einzelnen getrennten Bereichen oder beispielsweise einem im Wesentlichen eindimensionalen ausgedehnten Bereich, die zweite schnelle Strahlablenkeinrichtung 24B gezielt an die jeweiligen Orte gefahren werden, so dass nicht immer alle Orte Oi angefahren werden müssen, sondern nur die aktuell für die Bearbeitung/Herstellung benötigten Orte Oi zur Bestrahlung der benötigten Positionen Pi.
Die schnellen Strahlablenkeinrichtungen 24A und 24B können identisch oder unterschiedlich ausgebildet sein. Z. B. kann die zweite schnelle Strahlablenkeinrichtung 24B eine Ausrichtung über einen größeren Eingangsbereich bereitstellen als es eine mit der schnelle Strahlablenkeinrichtung 24A identische schnelle Strahlablenkeinrichtung 24B könnte. Je größer der abgedeckte Bereich an Positionen Pi ist, desto weniger muss die zweite schnelle Strahlablenkeinrichtung 24B bewegt werden.
Ferner kann die zweite schnelle Strahlablenkeinrichtung 24B den Bereich, in den sie den Elektronenstrahl ausrichten kann, in seiner Größe dadurch anpassen, dass sie die zulässige Abweichung des Einfallswinkels von einem vorgegebenen Winkel insbesondere in Randzonen des Bereichs vergrößert.
Es wurden verschiedenste Ausführungsformen beschrieben, wobei zu verstehen ist, dass Modifikationen durchgeführt werden können ohne vom erfindungsgemäßen Gedanken abzuweichen. Im Folgenden werden beispielhaft Ausführungen, Modifikationen, Funktionsweisen und Anordnungen beschrieben, die auf eine oder mehrere der zuvor beschriebenen Ausführungsformen zutreffen können.
Beispielsweise kann ein Elektronenstrahlgenerator ein geheiztes Filament zur Elektronenemission und eine Wehnelteinheit zur Steuerung des Strahlstroms aufweisen.
Ferner kann der Elektronengenerator mit Elementen wie lichtoptischer Einblick, Druckstufe, elektronenoptischer Einblick, Bedampfungsschutz u. a. ausgestattet sein. Gegebenenfalls kann der Elektronengenerator mit einer Strahljustiereinheit und/oder einer Einheit zur Strahlstigmatisierung ergänzt sein. Beispielsweise kann der Strahlstrom und/oder die Justierung und/der die Stigmatisierung schnell, d. h. mit 10 kHz bis 10 MHz, geändert werden.
Ferner kann eine Fokussierung schnell, d. h. mit 10 kHz bis 10 MHz, geändert werden. Gegebenenfalls kann die Fokussierung nur prozentual zu einer Hauptfokussierung geändert werden. Gegebenenfalls kann die Fokussierung durch den Feldverlauf der Ausrichteinrichtung ergänzt werden (Nachfokussierung).
Bei der eindimensionalen Ausrichtung können neben hufeisenförmigen Magneten auch U-förmige, O-förmige oder ellipsenförmige Magneten verwendet werden. Ferner können teilweise offene Freiformmagneten eingesetzt werden. Dabei können Magnete und Spulen-Magnetkern-Konfigurationen, z. B. Spule mit Eisenkern, verwendet werden. Bei Spulen-Magnetkern-Konfigurationen können durch Variation des Spulenstroms die Ablenkung auf die Elektronengeschwindigkeit (Energie) abgestimmt werden. Ein schnell magnetisierbares Material kann zusammen mit schnell ansteuerbaren Spulen eine schnelle Anpassung des Magnetfeldes erlauben.
Bei insbesondere eindimensionalen Strahlführungseinrichtungen oder Strahlführungseinrichtungen für Teilbereiche des Pulverbetts kann durch Drehung und Verschieben in der Ebene des Pulverbetts jede Position auf dem Pulverbett mit dem Elektronenstrahl erreicht werden. Alternative oder in Ergänzung kann auch die Ablenkeinrichtung selbst drehbar oder verschiebbar ausgebildet sein. Dies gilt unter anderem auch für teilflächige Strahlführungseinrichtungen und zweidimensionale Strahlführungseinrichtungen.
Bei der Ausrichtung in zwei Dimensionen können zwei oder mehrere Magnete zur eindimensionalen Ausrichtung miteinander kombiniert werden. So können diese beispielsweise um eine Generatorachse herum angeordnet werden, siehe das in Zusammenhang mit der 6 beschriebene Beispiel. In derartigen Ausführungsformen kann eine Drehbarkeit des Pulverbetts oder der Strahlführungseinrichtung um weniger als 360°, z. B. ca. 90° (6) oder 180° (siehe 8), ausreichen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Ausrichteinheit drehbar und/oder verschiebbar ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Drehung des Pulverbetts nicht oder nur langsam erfolgen, so dass das Pulver im Pulverbett z. B. keinen oder nur geringen Vibrationen ausgesetzt wird.
Beispielsweise können zwei (oder mehreren) linearen Ausrichteinrichtungen vorgesehen werden, von denen eine eine schnelle eindimensionale Ablenkung kompensiert und eine eine langsamere zweite Ablenkrichtung kompensiert. Dabei wird die für die schnelle Ablenkung benötigte Ausrichteinrichtung mit der langsamen Ablenkung mit verfahren.
Ferner können beispielsweise mit Spulen zweidimensionale Feldverteilungen erzeugt werden. Eine Feldverteilung kann so eingestellt werden, dass das Feld den Elektronenstrahl entsprechend seines Eintrittswinkels in das Feld über jedem Punkt der Bearbeitungsfläche gerade richtet. Das Feld kann ebenso wie bei der eindimensionalen Ausrichtung mit magnetischen Materialien (Eisenkernen) verstärkt werden. Durch weitere Spulen (mit oder ohne Magnetkern) oder magnetischen Elementen kann der Feldverlauf weiter angepasst werden, um eine möglichst gute Parallelstellung der Elektronenstrahlen an verschiedenen Arbeitspositionen z. B. auf dem Pulverbett zu ermöglichen.
Alternative oder in Ergänzung können auch eindimensionale oder zweidimensionale elektrische Feldverteilungen verwendet werden, um den Elektronenstrahl auszurichten.
Die Parallelstellung kann durch die räumliche Ausdehnung des Feldes und/oder durch seine Feldstärkenverteilung optimiert werden.
Die Felderzeugung der Ausrichteinrichtung kann in eine Vakuumkammer einer Elektronenstrahlanlage integriert sein und/oder sich innerhalb und/oder außerhalb derselben befinden.
Durch zueinander senkrecht verlaufende, z. B. durch Ablenkspulen der Ablenkeinrichtung erzeugte, Magnetfelder kann der Elektronenstrahl in seiner Strahlrichtung gesteuert werden. Sind große Ablenkungen zu erreichen, kann eine Ablenkung in Stufen mit aufeinanderfolgenden Ablenkeinrichtungen vorgenommen werden. Beispielsweise können sich die aufeinanderfolgenden Ablenkeinrichtungen im freien Öffnungsquerschnitt schrittweise vergrößern.
Wird die Ausrichteinrichtung als große Elektronenlinse betrachtet, kann die Ablenkeinrichtung beispielsweise in einem der Brennpunkte angeordnet sein, so dass der andere Brennpunkt im Unendlichen angeordnet ist, was einer Parallelisierung der abgelenkten Strahlen entspricht.
Wie beschrieben können derartige große Elektronenlinsen mit Dauermagneten realisiert werden, deren Feldverlauf größere Toleranzen aufweisen können, falls z. B. eine Anordnung der Ablenkeinrichtung im Brennpunkt vorgesehen ist.
Änderungen in der Elektronenenergie für den Bestrahlungsvorgang (beispielsweise in Abhängigkeit vom Baumaterial) kann beispielsweise durch Anpassung des Spulenstroms in den Spulen der gezeigten Ausführungsformen kompensiert werden, um die ausrichtende Wirkung der Ausrichteinrichtung auch bei verschiedenen Elektronenenergien bereitzustellen.
Eine nahe Anordnung der Ablenkeinrichtung an der Anode kann überdies den Vorteil haben, dass aufgrund des noch geringen Strahldurchmessers des Elektronenstrahls auch die ablenkenden Felder noch in ihren geometrischen Ausmaßen klein sein können.
In einigen Ausführungsformen kann eine große Elektronenstrahllinse einen Durchmesser von z. B. mindestes 1 m, 1,5 m, 2 m, und 2,5 m, und eine Polschuhabstand von beispielsweise 1,6 m aufweisen.
Eine Baumaterialschichtoberfläche kann die Oberfläche einer Sinterpulverschicht (Sintermaterial) sein. Ferner kann die Baumaterialschichtoberfläche jede Herstellungs- oder Bearbeitungsfläche in einer Elektronenstrahlanlage sein, die unter anderem auch Oberflächenteilabschnitte eines zu bearbeitenden Werkstücks aufweist.
Während einer Schweißbearbeitung eines Bauteils kann die Wechselwirkungszone einer Schweißkapillare entsprechen.
Neben dem angesprochenen Sintern umfassen weitere Anwendungsbereiche der hierin beschriebenen Ausführungsformen und Konzepte z. B. das Härten, Umformen, Schweißen, Auftragsschweißen, Aufschmelzen und Auftragsschmelzen.
Ferner können die hierin beschriebenen Konzepte auch mit Mehrelektronenstrahlvorrichtungen kombiniert werden.
Mit den hierin beschriebenen Ausführungsformen und Konzepten können z. B. große Bauteile mit einem Elektronenstrahl gesintert werden. Dabei wird der Elektronenstrahl nach Möglichkeit über eine große Fläche hinreichend senkrecht auf ein Sinterpulver gelenkt. Die Abweichung vom senkrechten Einfall soll z. B. 10° nicht überschreiten. Bei großen Bauteilen sollte die Strahlablenkung schnell sein. Nach einer großen ersten Ablenkung ist für den senkrechten Einfall eine zweite Ablenkung (Ausrichtung) notwendig, um durch ein schnelles Strahlablenken ein Sintern großer Flächen zu ermöglichen.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1885059 A2 [0003, 0016, 0041, 0081, 0086, 0130]
DE 102008009410 A1 [0004]

Claims

Elektronenstrahlanlage (1) zur schichtweisen Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils (3) mit: einem Elektronenstrahlgenerator (10) zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, einer Strahlablenkeinrichtung (24) zur Ablenkung des von dem Elektronenstrahlgenerator (10) erzeugten Elektronenstrahls (20) an Arbeitspositionen (Pi) auf einer Baumaterialschichtoberfläche (32), und einer Strahlausrichteinrichtung (26), die dazu ausgebildet ist, den von der Strahlablenkeinrichtung (24) abgelenkten Elektronenstrahl derart auf die Baumaterialschichtoberfläche (32) zu richten, dass ein Einfallswinkel (α) des ausgerichteten Elektronenstrahls auf die Baumaterialschichtoberfläche (32) an den Arbeitspositionen (Pi) in einem vorbestimmten Einfallswinkelbereich liegt.
Elektronenstrahlanlage (1) nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Einfallswinkelbereich unabhängig von den Arbeitspositionen (Pi) auf der Baumaterialschichtoberfläche (32) im Bereich von 90° ± 10°, insbesondere von 90° ± 4°, insbesondere von 90° ± 3° liegt.
Elektronenstrahlanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strahlablenkeinrichtung (24) mindestens eine Ablenkspule zur Ablenkung des Elektronenstrahls in eine Ablenkrichtung aufweist und die Strahlausrichteinrichtung (26) dazu ausgebildet ist, im Betrieb der Elektronenstrahlanlage (1) in Abhängigkeit von einem Ausmaß der Ablenkung des Elektronenstrahls durch die Strahlablenkeinrichtung (24) elektrisch und/oder magnetisch und/oder elektromagnetisch mit dem Elektronenstrahl derart wechselzuwirken, dass eine der Ablenkrichtung entgegengerichtete Ablenkung des Elektronenstrahls zur Ausrichtung des Elektronenstrahls in den Einfallswinkelbereich bewirkt wird.
Elektronenstrahlanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlausrichteinrichtung (26) zur Ausbildung eines elektrischen und/oder magnetischen und/oder elektromagnetischen Feldes ausgebildet ist, das in einer Ablenkrichtung in seiner Feldstärke und/oder in seiner Feldausdehnung entlang des Weges des Elektronenstrahls (e1, e2, e3 ...; ei, eii, eiii) variiert.
Elektronenstrahlanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlausrichteinrichtung (26) im Wesentlichen zur eindimensionalen elektrischen und/oder magnetischen und/oder elektromagnetischen Strahlsaurichtung ausgebildet ist und insbesondere einen hufeisenförmigen Magneten, eine Magnetspule mit hufeisenförmigen Magnetkern, einen Segmentmagneten und/oder eine elektrostatische Strahlausrichteinrichtung, oder Kombinationen derselben aufweist.
Elektronenstrahlanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit eine Positioniereinrichtung zur lateralen Verschiebung der Baumaterialschichtoberfläche (32) und/oder zur lateralen Verschiebung der Strahlausrichteinrichtung (26) und/oder zur Drehung der Baumaterialschichtoberfläche (32) in der Ebene der Baumaterialschichtoberfläche (32) und/oder zur Drehung der Strahlausrichteinrichtung (26) und/oder zur Anhebung der Baumaterialschichtoberfläche (32).
Elektronenstrahlanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlablenkeinrichtung (24) zur zweidimensionalen Ablenkung des Elektronenstrahls zur Bestrahlung eines zweidimensionalen Strahlführungsmusters der Baumaterialschichtoberfläche (32) ausgebildet ist und die Strahlausrichteinrichtung (26) zur zweidimensionalen elektrischen und/oder magnetischen und/oder elektromagnetischen Strahlsaurichtung ausgebildet ist und insbesondere eine die möglichen Elektronenstrahlwege umgebende Magnetspule, eine Anordnung plattenförmiger und/oder zylinderförmiger Elektroden und/oder Quadrupol-Elektrodenaufweist.
Elektronenstrahlanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Betrieb ohne Strahlablenkung durch die Strahlablenkeinrichtung (24) sich der Elektronenstrahl entlang eines nicht abgelenkten Elektronenstrahlweges (e0) ausbreitet, die Strahlablenkeinrichtung (24) mindestens eine erste Ablenkspule zur Ablenkung des Elektronenstrahls in eine erste Ablenkrichtung weg von dem nicht abgelenkten Elektronenstrahlweg (e0) und einer zweiten Ablenkspule zur Ablenkung des Elektronenstrahls in eine zweite Ablenkrichtung weg von dem nicht abgelenkten Elektronenstrahlweg (e0) aufweist, die Strahlausrichteinrichtung (26) eine Magnetanordnung aufweist, die jeweils für die erste Ablenkrichtung und für die zweite Ablenkrichtung ein Paar von hufeisenförmig ausgebildeten Magneten aufweist, wobei sich die Magneten eines Paares jeweils mit ihren Öffnungen gegenüberliegen und der Nullweg mittig durch die Anordnung von Magneten verläuft, und die Elektronenstrahlanlage (1) ferner eine Positioniereinrichtung zur Drehung der Magnetanordnung und/oder der Baumaterialschichtoberfläche (32) insbesondere um den nicht abgelenkten Elektronenstrahlweg (e0) aufweist.
Elektronenstrahlanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlführungseinrichtung (20) ferner eine Strahlfokussiereinrichtung (22) aufweist, die entlang des Elektronenstrahlwegs zwischen dem Elektronenstrahlgenerator (10) und der Strahlablenkeinrichtung (24) angeordnet ist und die dazu ausgebildet ist, den von dem Elektronenstrahlgenerator (10) erzeugten Elektronenstrahl zu fokussieren und insbesondere an den Arbeitspositionen (Pi) schnell auf die bzw. nahe der Baumaterialschichtoberfläche (32) zu fokussieren.
Elektronenstrahlanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlausrichteinrichtung (26) ferner dazu ausgebildet ist, eine Fokusposition des Elektronenstrahls an die variierenden Weglängen des Elektronenstrahls zu den jeweiligen Arbeitspositionen (Pi) anzupassen.
Elektronenstrahlanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Baumaterialschichtoberfläche (32) eine laterale Abmessung von mindestens 0,3 m, insbesondere von mindestens 0,5 m, insbesondere von mindestens 1 m und insbesondere von mindestens 2 m aufweist und insbesondere von einer Bauteileinheit (30) bereitgestellt wird.
Elektronenstrahlanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Steuerungseinrichtung (50), die einen Speicher zur Speicherung eines digitalen Strahlführungsmusters, das eine Abfolge von Arbeitspositionen (Pi) für den Elektronenstrahl auf der Baumaterialschichtoberfläche (32) definiert, und einer Steuerschaltung, die zur Ansteuerung der Strahlablenkeinrichtung (24) zur Ablenkung des Elektronenstrahls gemäß des Strahlführungsmusters ausgebildet ist, aufweist.
Elektronenstrahlanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Baumaterialschichtoberfläche (32) im Betrieb durch eine ebene Sinterpulverschicht ausgebildet ist, die mit dem Elektronenstrahl insbesondere zum Sintern des Pulvers zur Herstellung des Bauteils (3) bestrahlt wird.
Elektronenstrahlanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Detektionsvorrichtung zur Detektion von bei der Herstellung oder Bearbeitung rückgestreuten Elektronen, wobei die Detektionsvorrichtung insbesondere zur Detektion von an der Strahlausrichteinrichtung (26) vorbei zurückgestreuter Elektronen ausgebildet ist.
Elektronenstrahlanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlablenkeinrichtung (24) eine erste Strahlablenkeinrichtung (24A) ist, die Strahlausrichteinrichtung (26) eine zweite Strahlablenkeinrichtung (24B) und eine Positioniervorrichtung (60) zur Positionierung der Strahlablenkvorrichtung (24B) an Orte (Oi) aufweist, und die Strahlausrichteinrichtung (26) dazu ausgebildet ist, im Betrieb mittels der Positioniervorrichtung (60) einen Eintrittsbereich der Strahlablenkeinrichtung (24B) in Abhängigkeit der Ablenkung des mittels der Strahlablenkeinrichtung (24A) abgelenkten Elektronenstrahl derart zu positionieren und ein elektrisches und/oder magnetisches und/oder elektromagnetisches Feld der Strahlablenkvorrichtung derart zu erzeugen, dass der abgelenkten Elektronenstrahl auf Positionen (Pi) der Baumaterialschichtoberfläche (32) gerichtet wird.
Strahlausrichteinrichtung (26) zur Ausrichtung eines Elektronenstrahls auf Arbeitspositionen (Pi) auf einer Baumaterialschichtoberfläche (32), die in einer Elektronenstrahlanlage (1) bereitgestellt wird, mit: einer Einrichtung zum elektrischen und/oder magnetischen und/oder elektromagnetischen Wechselwirken mit dem Elektronenstrahl, die dazu ausgebildet ist, den Elektronenstrahl für verschiedene Eintrittsrichtungen in die Strahlausrichteinheit (26) derart auf die Baumaterialschichtoberfläche (32) zu richten, dass ein Einfallswinkel (α) auf die Baumaterialschichtoberfläche (32) für die Arbeitspositionen (Pi) in einem vorbestimmten Einfallswinkelbereich liegt.
Strahlausrichteinrichtung (26) nach Anspruch 16, ferner mit einer Positioniervorrichtung (60) zur Positionierung der Einrichtung zum elektrischen und/oder magnetischen und/oder elektromagnetischen Wechselwirken mit dem Elektronenstrahl, insbesondere zum Drehen, Verschieben, Bewegen mittels einer X-Mechanik, einer X-Y-Mechanik oder eine R-Φ-Mechanik bzgl. der Baumaterialschichtoberfläche (32).
Strahlausrichteinrichtung (26) nach Anspruch 16 oder 17, ferner mit einer Detektionsvorrichtung zur Detektion von der Baumaterialschichtoberfläche (32) rückgestreuten Elektronen, wobei die Detektionsvorrichtung insbesondere seitlich der Einrichtung zum elektrischen und/oder magnetischen und/oder elektromagnetischen Wechselwirken und/oder auf der Elektronenstrahleintrittsseite der Einrichtung zum elektrischen und/oder magnetischen und/oder elektromagnetischen Wechselwirken und/oder auf der Elektronenstrahlaustrittsseite der Einrichtung zum elektrischen und/oder magnetischen und/oder elektromagnetischen Wechselwirken angeordnet ist.
Verfahren zur schichtweisen Herstellung oder Bearbeitung eines Bauteils (3) mit folgenden Schritten: schichtweises Auftragen von einem Baumaterial zur Erzeugung einer Baumaterialschichtoberfläche (32), Erzeugen eines Elektronenstrahls, Ablenken des Elektronenstrahls durch Einstellen eines ersten einstellbaren elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Feldes zur Bestrahlung einer Abfolge von Arbeitspositionen (Pi) auf der Baumaterialschichtoberfläche (32), und Ausrichten des abgelenkten Elektronenstrahls mit einem zweiten voreingestellten elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Feldes derart, dass die Einfallswinkel (α) des ausgerichteten Elektronenstrahls auf die Baumaterialschichtoberfläche an den Arbeitspositionen (Pi) in einem vorbestimmten Winkelbereich liegen.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Ausrichten des abgelenkten Elektronenstrahls das Positionieren einer Ablenkvorrichtung (24B) an einer Positionierung (Oi) und das Einstellen des zweiten voreingestellten elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Feldes mittels der Ablenkvorrichtung (24B) umfasst, wobei die Positionierung (Oi) und das zweite voreingestellte elektrische, magnetische oder elektromagnetische Feld in Abhängigkeit vom eingestellten ersten einstellbaren elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Feldes erfolgt.