用于产生电子束的装置以及3D打印设备的制作方法

本发明涉及一种用于产生电子束的装置以及一种按照权利要求12的前序部分所述的用于制造在空间上延伸的产品的3d打印设备。

背景技术：

已知用于产生可以用于3d打印的电子束的装置。在此特别是使电子束撞击到构成为金属的杆形材料的原材料上，由此所述原材料局部熔化。由此，原材料可以在工作区域中堆放在可预定的位置上，以便分层地构建要制造的物体。

在此，通常证明为不利的是，为了加速电子而使用直至100kv的电压，从而在电子撞击到原材料上时，产生具有直至100kev的能量的x射线辐射。该辐射只能用非常大的花费屏蔽。此外，这种电子束的高功率密度可能导致问题，因为其可能导致金属原材料部分蒸发。附加地，通常用于偏转电子束的磁体仅允许在工作区域中电子束低的扫描速度。

技术实现要素：

本发明的问题是实现一种开头所述类型的装置，其产生更少的有害辐射和/或更适合于3d打印方法。此外，应该给出一种包括这种装置的开头所述类型的3d打印设备。

按照本发明，这通过一种开头所述类型的具有权利要求1的特征的装置以通过及一种通过开头所述类型的具有权利要求12的特征部分的特征的3d打印设备实现。各从属权利要求涉及本发明优选的构造方式。

按照权利要求1，所述装置具有：

-伸长的金属丝形的热阴极，在所述装置运行时，电子束从所述热阴极发出，所述电子束由于热阴极的伸长的形状而垂直于其传播方向地具有伸长的、线形的横截面，在所述横截面中，沿线纵向方向的延伸尺寸明显大于沿线横向方向的延伸尺寸，

-阴极电极，

-阳极电极，其特别是具有开口，从热阴极发出的电子束能穿透通过所述开口，其中在所述装置运行时，在阴极电极和阳极电极之间存在用于加速从热阴极逸出的电子的电压，

-偏转单元，所述偏转单元能使穿透阳极电极的开口的电子束偏转，其中，在所述装置运行时，通过所述偏转单元使电子束的横截面改变为使得沿线纵向方向的延伸尺寸减小并且沿线横向方向的延伸尺寸增大，特别是使得沿线纵向方向与线横向方向的延伸尺寸大约一样大，优选电子束具有旋转对称的横截面。

通过使用伸长的热阴极产生具有线形的横截面的电子束。此外，通过使用伸长的热阴极，从所述热阴极发出的电子束的电流能够明显大于在基本上点状的热阴极时的电流。例如可以实现1a的电流。由此加速电压可以减少到例如10kv至15kv。由此在撞击到用于3d打印的原材料上时不产生高能量的x射线辐射，从而无须对所述装置进行耗费的屏蔽。由于电子束在工作区域中射束成形为相对点状的或旋转对称的射束，所以原材料仍然能够有效地熔化。

可以规定，所述偏转单元包括至少一个偏转电极。在此，所述至少一个偏转电极特别是可以构造成和/或在所述装置中设置为，使得穿透阳极电极的开口的电子束被所述至少一个偏转电极反射。通过区别于利用磁场进行偏转而利用电极的偏转能够在工作区域中获得电子束的明显更大的扫描速度。在偏转电极的示例性地使用的几何结构中能够达到直至120khz的偏转频率，其原因在于偏转电极具有非常小的电容。

可以规定，所述至少一个偏转电极相对于阳极电极具有负电位，特别是所述至少一个偏转电极在与阴极电极相同的电位上，优选将其连接到与阴极电极相同的电压源上。通过连接到相同的电压源上能够确保，在电子朝向工作区域的方向被加速之前电子被偏转电极尽量制动。

存在如下可能性，所述偏转单元、特别是所述至少一个偏转电极构造为使得穿透阳极电极的开口的电子束分成多个部分射束。特别是所述多个部分射束可以在工作区域中重叠。通过分成多个部分射束和随后在工作区域中的重叠，能够相对高效地将具有线形的横截面的电子束转变成具有旋转对称的横截面的电子束。

可以规定，所述偏转单元包括至少一个另外的电极，所述另外的电极相对于所述至少一个偏转电极具有正电位并且能使电子根据与所述至少一个偏转电极相互作用加速，其中所述另外的电极特别是具有开口，从所述至少一个偏转电极出发的电子束能穿透所述开口。按照这种方式，被制动的电子可以朝向所述附加的电极的方向加速。因此，该附加的电极应该定位为使得所述加速以所期望的偏转角度进行。

存在如下可能性，即，所述偏转单元包括至少两个彼此对置的偏转电极，所述偏转电极特别是沿电子束的传播方向设置在所述另外的电极下游，其中，在所述至少两个彼此对置的偏转电极之间能施加电压、尤其是交流电压，以便使电子束偏转。所述偏转电极可以用于使电子束的射束轮廓在工作区域中成形或均匀化。特别是交流电压可以具有例如直至120khz的相对高的频率，从而电子束或其部分射束可以以大的速度在工作区域中或在原材料上来回运动。在此，可以针对性地影响交流电压，以便使原材料的表面的一些区域相比于其他区域更长时间地加载电子束。

可以规定，所述阴极电极沿形成热阴极的金属丝的纵向方向被划分成各部段。由此能够便利于划分成各部分射束。附加地，由此能实现所述装置的模块化的构造，因为通过阴极电极的多个部段彼此排成一排并且通过使用用作热阴极的较长的金属丝，能够沿线形的电子束的纵向方向来增大源。

按照权利要求12规定，所述用于产生电子束的装置是按照本发明的装置。

可以规定，所述3d打印设备包括多个用于产生电子束的装置，所述各装置在3d打印设备中设置为，使得所述各装置的电子束在3d打印设备运行中从不同的方向撞击到原材料上。例如所述各装置可以环形地围绕原材料地设置，从而所述原材料可以同时从所有侧被加载电子束。这导致原材料的高效且非常均匀的熔化。

附图说明

本发明其他的特征和优点借助后续的对优选的实施例的说明参考各附图而变得明显。图中：

图1示出具有按照本发明的用于产生电子束的装置的第一实施方式的按照本发明的3d打印设备的第一实施方式的透视图，其中示出由所述装置产生的电子束；

图2示出按照图1的按照本发明的3d打印设备的第一实施方式的另一个透视图；

图3示出具有按照本发明的用于产生电子束的装置的第二实施方式的按照本发明的3d打印设备的第二实施方式的透视图，其中示出由所述装置产生的电子束；

图4示出按照图3的按照本发明的3d打印设备的第二实施方式的另一个透视图；

图5示出按照图3的按照本发明的3d打印设备的第二实施方式的另一个透视图；

图6示出具有多个按照本发明的用于产生电子束的装置的按照本发明的3d打印设备的第三实施方式的示意俯视图，其中示出由所述各装置产生的电子束。

具体实施方式

在各附图中，相同的或功能上相同的部件或元件配设有相同的附图标记。在一些附图中相应地示出笛卡尔坐标系。

在所描述的装置中，一些或特别是全部的部件可以设置在真空中。为此需要的壳体未在各附图中示出。

在图1和图2中示出的按照本发明的用于产生电子束的装置1的第一实施方式包括未示出的热阴极、阴极电极2和阳极电极3。在这些部件方面，所述装置1基本上符合皮尔斯类型的电子枪。所述装置可以产生电子束4，所述电子束沿示出的坐标系的z方向从热阴极或从阴极电极2朝向阳极电极3的方向传播。

热阴极构成为金属丝并且设置在阴极电极2中的配设有附图标记5的空腔中。热阴极沿相应于示出的坐标系的y方向的纵向方向延伸。与此对应地，所述纵向方向垂直于电子束4的传播方向设置。通过该构造获得电子束4的线形的横截面，其中，所述线形的横截面的纵向方向平行于形成热阴极1的金属丝的纵向方向定向。所述金属丝例如可以具有1mm的直径和沿y方向的100mm至160mm之间的长度。

所述热阴极被未示出的电压器件这样加载电压，使得电流流过热阴极，所述电流导致热阴极升温。在此，热阴极1可以至少部分地处于与阴极电极2相同的电位上。

阴极电极2例如可以具有沿y方向的在80mm至120mm之间的长度。阴极电极2包括区段6，所述各区段远离热阴极地延伸并且相互成110°至150°之间的角度、例如大约135°的角度。所述两个区段6在示出的实施例中被分段，例如划分成四个部段7。

完全存在不规定分段或者规定分段成更多或更少的部段的可能性。

阳极电极3具有开口8，从热阴极发出的电子束4可以穿透所述开口。开口8特别是矩形并且沿其(在图1中沿y方向延伸的)纵向方向可以具有比沿其横向方向明显更大的延伸尺寸，以便能够使具有线形的横截面的电子束4通过。

在所述装置1运行时，在阴极电极2与阳极电极3之间施加用于加速从热阴极1逸出的电子的电压。所述电压例如可以为10kv至15kv之间。在此，阴极电极2与未示出的电压源的负极相连接而阳极电极3与所述电压源的正极相连接，其中特别是阳极电极3可以附加地与地相连接。

所述装置1还包括多个用作偏转器件的偏转电极9a、9b、9c、9d，所述偏转电极在电子束4的射束路径中设置在阳极电极3的下游。在示出的实施例中，设有四个偏转电极9a、9b、9c、9d。然而完全存在设有更多或更少的偏转电极9a、9b、9c、9d的可能性。

在示出的实施例中，所述各个偏转电极9a、9b、9c、9d棒状地构成并且具有圆柱形的横截面。完全存在各偏转电极9a、9b、9c、9d具有其他形状的可能性。

所述各偏转电极9a、9b、9c、9d同样处于一个负电位上或多个不同的负电位上。特别是可以规定，一个、多个或全部的偏转电极9a、9b、9c、9d处于与阴极电极2相同的负电位上。优选地，一个、多个或全部的偏转电极9a、9b、9c、9d与和阴极电极2相同的电压源的负极相连接。由此能够实现，电子束4的电子在偏转电极9a、9b、9c、9d旁基本上到达静止状态。

电子束4例如被偏转电极9a、9b、9c、9d偏转了大约50°至60°。完全存在规定偏转其他角度的可能性。

所述偏转电极9a、9b、9c、9d特别是沿从阳极电极3发出的电子束4的传播方向或者说沿z方向相对于彼此在空间上位错。通过所述各个偏转电极9a、9b、9c、9d相对于彼此在空间上的位错，使电子束4中的一部分比电子束4的另外的部分更靠近于阳极电极3偏转。按照这种方式，电子束4在偏转期间被分裂成多个部分射束10a、10b、10c、10d。

由图1可看出，在图1中从左向右或者说沿负y方向，第一偏转电极9a和第三偏转电极9c分别比第二偏转电极9b和第四偏转电极9d更下面地设置。因此在图1中撞向第二和第四偏转电极9b、9d的电子束4比撞向第一和第三偏转电极9a、9c的电子束4更早地向右偏转。这导致在图1中电子束4的由第二偏转电极9b和第四偏转电极9d偏转的部分射束10b、10d在上方或者说沿负z方向地与由第一偏转电极9a和第三偏转电极9c偏转的部分射束10a、10c间隔开地延伸。

所述装置1沿电子束4或部分射束10a、10b、10c、10d的传播方向在偏转电极9a、9b、9c、9d的下游还包括另一个电极11，所述电极具有用于使电子束4或者说部分射束10a、10b、10c、10d穿透的开口12。特别是，所述开口12同样矩形地构成并且沿其纵向方向可以具有比沿其横向方向更大的延伸尺寸。所述另一个电极11例如与地相连接并且因此具有相对于偏转电极9a、9b、9c、9d的正电位。因此电子束4或者说部分射束10a、10b、10c、10d在偏转电极旁制动的电子从偏转电极9a、9b、9c、9d朝向所述另一个电极11的方向加速并且穿透开口12。

因为电极11的正电位的最大值基本上设置在开口12的中心，所以所述各部分射束10a、10b、10c、10d朝向电极11的开口12的中心的方向稍微偏转，从而所述各部分射束在进一步的射束走向中彼此接近。这最终导致，部分射束10a、10b、10c、10d在工作区域13中重叠，于是，在所述工作区域中重新结合(vereinigen)的电子束4优选具有大致旋转对称的横截面。

在工作区域13中，例如可以设置用于3d打印的由金属制成的杆形的原材料20，所述原材料可以被所述重新结合的电子束4熔化。

在按照图1和图2的实施方式中，在电极11的下游设置两组14、15附加的多件式的偏转电极16b、16d；17a、17c，在所述各偏转电极的下游附加地设有包括开口19的另一个电极18。在此，部分射束10b、10d在偏转电极16b、16d的各个部件之间延伸穿过，而部分射束10a、10c在偏转电极17a、17c的各个部件之间延伸穿过。由此，第一组14的偏转电极16b、16d作用到部分射束10b、10d上，而第二组15的偏转电极17a、17c作用到部分射束10a、10c上。

偏转电极16b、16d；17a、17c的各个部件在按照图1和图2的实施方式中通过两个或四个彼此对置的板形成，所配置的部分射束10a、10b、10c、10d在所述各板之间穿透。

在分别与所述部分射束10a、10b、10c、10d之一相配置的偏转电极16b、16d；17a、17c的各个部件之间可以相应地施加电压、特别是交流电压。相应的电压源未示出。所述交流电压例如可以具有10khz和大于10khz的频率、例如直至120khz的频率。

所述偏转电极16b、16d；17a、17c用于使电子束4的射束轮廓在工作区域13中成形或均匀化。特别是偏转电极16b、16d；17a、17c由于交流电压的相对高的频率可以使部分射束10a、10b、10c、10d以较大的速度在工作区域13中或原材料20上来回运动。在此，特别是可以有针对性地影响交流电压，以便使原材料20的表面的一些区域比其他区域更长时间地加载电子束4。

在图3至图5中示出的第二实施方式一方面通过如下方式区别于第一实施方式，即，电极11、18的开口12和19在其形状和大小方面基本上相应于在阳极电极3中的开口8。

另一方面，第二实施方式的阴极2与第一实施方式的阴极2不同地成形。

此外，第二实施方式的偏转电极9a、9b、9c、9d与第一实施方式的偏转电极9a、9b、9c、9d不同地成形。

此外，不是对于每个所述部分射束10a、10b、10c、10d设置单独的偏转电极16b、16d；17a、17c。而是在每个所述组14、15中设有恰好两个偏转电极16、17，所述部分射束10a、10b、10c、10d中的两个部分射束分别在所述所述偏转电极之间延伸穿过。

特别是，部分射束10b、10d在第一组14的所述两个偏转电极16之间延伸穿过，而部分射束10a、10c在第二组15的所述两个偏转电极17之间延伸穿过。由此，第一组14的偏转电极16作用到部分射束10b、10d上，而第二组15的偏转电极17作用到部分射束10a、10c上。

在图6中示出3d打印设备的实施例，其包括多个用于产生电子束4的装置1。在此，所述各装置1围绕杆形的原材料20设置在一个环上，从而使所述装置1的电子束4在3d打印设备运行时从不同的方向撞击到原材料20上。