(57)【要約】本発明は、プラズマ電子源装置（１５０）に関する。装置は、その内部でプラズマを発生する陰極放電チャンバ（１００）と、陰極放電チャンバ（１００）と陽極（１０４）との間に生じる加速場によってプラズマ（１０７）からの電子を抽出する、陰極放電チャンバに提供された出口穴（１２０）と、少なくとも一つのプラズマ閉じ込めデバイス（例えば、電磁石コイル１０３）と、プラズマからの電子抽出が可能な第一の値とプラズマからの電子抽出を防止する第二の値との間で、少なくとも一つのプラズマ閉じ込めデバイスをスイッチングするためのスイッチング機構（１９０）と、を含む。関連する方法も提供する。特に、作業台上に提供された粉ベッドの少なくとも一つの層の一部の連続的な溶融によって三次元体を形成するための装置（１５０）の使用方法が提供される。【選択図】図１ａ
2015525428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
その内部でプラズマを発生する陰極放電チャンバと、
前記陰極放電チャンバに提供されており、前記陰極放電チャンバと陽極との間に提供された加速場によって前記プラズマから抽出した電子を出す出口穴と、
少なくとも一つのプラズマ閉じ込めデバイスと、
前記プラズマからの電子抽出が可能な第一の値と前記プラズマからの電子抽出を防止する第二の値との間で、前記少なくとも一つのプラズマ閉じ込めデバイスをスイッチングするためのスイッチング機構と、を含む、プラズマ電子源装置。
【請求項２】
前記プラズマ閉じ込めデバイスが、少なくとも一つの電磁石コイル、少なくとも一つの電磁波発生器、少なくとも一つのビーム制御板、およびそれらの任意の組み合わせからなる群より選択される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記プラズマ閉じ込めデバイスが、前記プラズマを発生するように前記陰極放電チャンバの内側のガスに作用するＲＦ出力およびマイクロ波出力の少なくともいずれかを放出するように構成された少なくとも一つの電磁波発生器である、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記プラズマ閉じ込めデバイスが前記陰極放電チャンバの外側に配置された、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記プラズマ閉じ込めデバイスが前記陰極放電チャンバの内側に配置された、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記少なくとも一つのプラズマ閉じ込めデバイスが、少なくとも一つの電磁石コイルおよび少なくとも一つの電子ビーム制御板を含む、請求項１に記載の装置。 
【請求項７】
前記少なくとも一つの電子ビーム制御板が前記陰極放電チャンバの内側に提供され、かつ前記プラズマの少なくとも一部が前記電子ビーム制御板と前記出口穴との間に配置された、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記少なくとも一つの電子ビーム制御板が湾曲している、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記少なくとも一つの電子ビーム制御板が、その中心部を貫通する開口を有する環状構造であり、前記開口が実質的に前記出口穴の方を向く、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記プラズマ閉じ込めデバイスが、前記陰極放電チャンバ（１００）の内側に提供された少なくとも一つの電子ビーム制御板（１２５）であり、前記プラズマの少なくとも一部が前記電子ビーム制御板（１２５）と前記出口穴（１２０）との間に配置された、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記プラズマ閉じ込めデバイスが少なくとも一つの電磁石コイルであり、前記第一の値と前記第二の値との間の閉じ込め力を調節するための前記スイッチング機構が、前記少なくとも一つの電磁石コイルを通り抜ける電流である、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記プラズマ閉じ込めデバイスが少なくとも一つの電磁波発生器であり、前記第一の値と前記第二の値との間の閉じ込め力を調節するための前記スイッチング機構が、電磁波源によって生成された電磁波の波長および振幅の少なくともいずれかである、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記電磁波源が前記陰極放電チャンバの外側に位置付けられた、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記スイッチング機構が、前記電磁波発生器の周波数および振幅の少なくともいずれかをスイッチングするように構成された、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記プラズマ閉じ込めデバイスが少なくとも一つの電子ビーム制御板であり、前記第一の値と前記第二の値との間の閉じ込め力を調節するための前記スイッチング機構が、前記板に印加された電圧である、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記プラズマ電子源から出た電子の平均電流を異ならせるために、前記プラズマを閉じ込めるための少なくとも一つの手段のデューティサイクルを異ならせるための制御ユニットをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記陰極放電チャンバに、ガスを前記陰極放電チャンバ内部に導き入れるためのガス源と接続可能な注入口が備えられた、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記第一の電流値と前記第二の電流値との間のスイッチングの周波数が、１００Ｈｚ、１ｋＨｚおよび１００ｋＨｚの少なくともいずれかよりも高い、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
作業台上に提供された、三次元体の連続した横断面にその一部が対応する粉ベッドの少なくとも一つの層の一部の連続的な溶融によって前記三次元体を形成するための、請求項１に記載のプラズマ電子源装置の使用。
【請求項２０】
陰極放電チャンバ内においてプラズマを発生するステップと、
前記陰極放電チャンバと陽極との間に提供された加速された場によって、前記陰極放電チャンバにおける出口穴から電子を抽出するステップと、
少なくとも一つのプラズマ閉じ込めデバイスを提供するステップと、
前記プラズマからの電子抽出が可能な第一の値と前記プラズマからの電子抽出を防止する第二の値との間で、前記少なくとも一つのプラズマ閉じ込めデバイスをスイッチングするステップと、を含む、パルス電子ビームを生成するための方法。
【請求項２１】
前記少なくとも一つのプラズマ閉じ込めデバイスが、少なくとも一つの電磁石コイル、少なくとも一つの周波数発生器、少なくとも一つのビーム制御板、およびそれらの任意の組み合わせからなる群より選択される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記少なくとも一つのプラズマ閉じ込めデバイスが前記陰極放電チャンバ（１００）の内側に位置した、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記少なくとも一つのプラズマ閉じ込めデバイスが前記陰極放電チャンバ（１００）の外側に位置した、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記プラズマ電子源からの前記電子の平均電流を制御するために、前記第一の値と前記第二の値との間の前記スイッチングのデューティサイクルを異ならせるステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
前記陰極放電チャンバの内側に存在するガスに作用するＲＦ電磁場によって、前記陰極放電チャンバ内部に前記プラズマを発生するステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
前記陰極放電チャンバ内部にガスを導き入れるためのガス源に接続可能な注入口を前記陰極放電チャンバに提供するステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
前記プラズマの少なくとも一部が電子ビーム制御板と前記出口穴との間に配置するように前記電子ビーム制御板を前記陰極放電チャンバの内側に提供するステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２８】
前記出口穴を通って出た前記電子の数を異ならせるように、前記コイルを流れる電流を異ならせるステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２９】
前記出口穴（１２０）を通って出た前記電子の数を異ならせるために、前記電子ビーム制御板に印加する電位を異ならせるステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項３０】
前記コイルを流れる電流のスイッチング、前記ビーム制御板の電圧のスイッチング、および電子ビーム発生のスイッチオンおよびオフのための前記第一の値と前記第二の値との間の前記電磁波発生器の周波数または振幅のスイッチングの少なくともいずれかのステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明のさまざまな実施形態は、プラズマ電子源装置、パルス電子ビームを生成する方法、およびプラズマ電子源装置の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
自由形状製作または付加的製造は、作業台に塗布された粉末層の選択部分の連続的な溶融によって三次元体を形成するための方法である。この技術に従う方法および装置は、米国特許出願公開第２００９／０１５２７７１号に開示されている。
【０００３】
そのような装置は、その上で三次元体を形成するための作業台、作業台上に粉末の薄層を積層して粉ベッドを形成するように配置された粉末ディスペンサ、エネルギーを粉末に加えることによって粉末を溶融するための光線銃、光線銃から粉ベッド全体に放出される光線を制御して、粉ベッドの一部の溶融によって三次元体の断面を形成するための要素、および三次元体の連続した横断面に関する情報を保存するための制御コンピュータを含むことができる。三次元体は、粉末ディスペンサによって連続的に積層された粉末層の連続して形成された断面の連続溶融によって形成される。
【０００４】
付加的製造においてエネルギーを粉末に加えるために電子ビームを使用する場合には、熱分配および溶融機構を制御するために、電子ビームを比較的迅速にスイッチオンおよびオフすることが望ましい。
【０００５】
スイッチング周波数は、加熱された金属フィラメントから電子ビームを生成する場合には、フィラメント材料の温度時定数によって制限される。５０Ｈｚよりも速くホットフィラメントからの電子発生をスイッチオンおよびオフすることは、不可能とは言わないまでも困難である。
【０００６】
ホットフィラメントからの電子発生のスイッチング周波数は、いわゆるトライオド設計を使用することにより増大できる。トライオド設計では、電子ビームを急速にスイッチオンおよびオフできるグリッドを使用する。しかしながら、トライオド設計を用いると、自由形状製作において、空間および時間にわたる集束および強度の安定性に関して、ならびに可変電流に対して質がよい使用可能な電子ビームの生成が困難となることがある。
【０００７】
電子ビームをプラズマ源から生成する場合には、スイッチング周波数は、プラズマを発生するための時間、およびプラズマを消滅するための時間によって制限される。また、スイッチング周波数は、プラズマを起動および停止するのに必要な高電圧を生成するための切り替え時間によっても制限される。可能な最高のプラズマ発生周波数は、理論上は約１０ＭＨｚである。ただし、実際には高電圧のドライブエレクトロニクスの切り替え時間によって制限される。
【０００８】
パルス電子ビームを生成するための公知の方法は、付加的製造において問題となり得るような影響を電子ビームの質に与えることなく、十分に高いパルスレートを有することはできない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この背景のため、本発明の目的は、先行技術において公知の電子ビームのパルスをより速くすることが可能な方法および装置を提供することにある。前述の目的は、本明細書に包含される請求項に従う特徴によって達成される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
さまざまな実施形態に従うプラズマ電子源装置が提供される。装置は、その内部でプラズマを発生する陰極放電チャンバと、陰極放電チャンバと陽極との間に生じる加速場によってプラズマからの電子を抽出する、陰極放電チャンバに提供された出口穴と、少なくとも一つのプラズマ閉じ込めデバイスと、プラズマからの電子抽出が可能な第一の値とプラズマからの電子抽出を防止する第二の値との間で、少なくとも一つのプラズマ閉じ込めデバイスをスイッチングするためのスイッチング機構と、を含む。
【００１１】
さまざまな実施形態に従うパルス電子ビームを生成するための方法も提供される。方法は、陰極放電チャンバ内においてプラズマを発生するステップと、陰極放電チャンバと陽極との間に提供された加速された場によって、陰極放電チャンバにおける出口穴から電子を抽出するステップと、少なくとも一つのプラズマ閉じ込めデバイスを提供するステップと、プラズマからの電子抽出が可能な第一の値とプラズマからの電子抽出を防止する第二の値との間で、少なくとも一つのプラズマ閉じ込めデバイスをスイッチングするステップと、を含む。
【００１２】
さまざまな実施形態に従う代替的なプラズマ電子源装置も提供される。装置は、その内部でプラズマを発生する陰極放電チャンバと、陰極放電チャンバ１００と陽極１０４との間に生じる加速場によってプラズマ１０７からの電子を抽出する、陰極放電チャンバ１００に提供された出口穴１２０と、陰極放電チャンバ１００内部のプラズマを閉じ込めるための少なくとも一つの手段と、プラズマ１０７からの電子抽出が可能な第一の値とプラズマ１０７からの電子抽出を防止する第二の値との間で、プラズマを閉じ込めるための少なくとも一つの手段をスイッチングするスイッチング手段と、を含む。
【００１３】
陰極放電チャンバ内部のプラズマを閉じ込めるための少なくとも一つの手段は、少なくとも一つの電磁石コイル、少なくとも一つの電磁波発生器、および／または少なくとも一つのビーム制御板（１２５）でもよい。
【００１４】
第一の値と第二の値との間でプラズマを閉じ込める力を調節するためのパラメータは、陰極放電チャンバの内側または外側に提供されたコイルを流れる電流、および／もしくは陰極放電チャンバの内側に配置された板にかかる電圧、ならびに／または陰極放電チャンバの内側または外側に提供された電磁波源によって生成された電磁波の波長もしくは振幅でもよい。
【００１５】
特定の実施形態では、かかるパラメータは、陰極放電チャンバ内部のプラズマを閉じ込めるための手段を含む。陰極放電チャンバ内部にプラズマを閉じ込めるための手段を提供し、閉じ込め状態およびパルス電子ビームを得るための非閉じ込め状態との間で手段をスイッチングすることにより、パルス電子ビームの高速制御が生み出される。
【００１６】
プラズマを閉じ込めるための少なくとも一つの手段は、陰極放電チャンバ（１００）の内側および／または外側に配置できる。プラズマを閉じ込めるための手段を陰極放電チャンバの内側に配置すると、チャンバの共振周波数に影響を及ぼし得るが、これは装置全体を小型にする解決策である。プラズマを閉じ込めるための手段の陰極放電チャンバの外側への配置は、陰極放電チャンバの内側に同様の手段を有するものと比較してより安価かつ時にはより効率的な解決策である。配置は、プラズマを閉じ込めるための手段の性質にも応じて決めることができる。
【００１７】
さまざまな実施形態では、プラズマ電子源から出た電子の平均電流を異ならせるために、プラズマを閉じ込めるための少なくとも一つの手段を流れる電流の第一の値のデューティサイクルを異ならせるための制御ユニットが提供される。
【００１８】
この実施形態の利点は、ビーム質に干渉することなく、ビーム出力を容易に制御できることである。すなわち、空間および時間にわたって優れた集束および強度の安定性を提供できる。プラズマ閉じ込めの第一の値のデューティサイクルを異ならせることは、ビーム出力を調整するための非常に効率的な手段となる。ビーム出力は、２つの異なる出力レベルの間で切り替えることができる。この切り替えは、プラズマを閉じ込めるための少なくとも一つの手段を流れる電流の第一の値のデューティサイクルを制御機構が変化させるのとほぼ同じ速度で行うことができる。プラズマは、非常に迅速に発生、破壊および／または再形成できる。
【００１９】
さまざまな実施形態では、電磁波源が、プラズマを発生するための、陰極放電チャンバの内側におけるガスに作用する電磁波出力を出すために提供される。例示の実施形態では、電磁波出力はＲＦ出力である。別の例示の実施形態では、電磁波出力はマイクロ波出力である。プラズマの発生または破壊は、波出力の波長を、プラズマの共振周波数の範囲外に変化させることによって実現できる。共振周波数は、プラズマ内の分子の種類、ならびに陰極放電チャンバのサイズおよび形状に応じて決めることができる。
【００２０】
かかる実施形態の利点は、プラズマ発生がスイッチングコイルと分離および独立していることである。別の利点は、電磁波源がプラズマ発生の効果的な手段であることである。
【００２１】
なおも他の例示的な実施形態では、陰極放電チャンバに、ガスを陰極放電チャンバ内部に導き入れるためのガス源と接続可能な注入口が備えられることである。かかる実施形態の利点は、電子源の寿命が、陰極放電チャンバ内部にガスを供給できる限り続くことである。
【００２２】
なおも他の例示的な実施形態では、第一の電流値と第二の電流値との間のスイッチングの周波数は、１００Ｈｚ、１ｋＨｚまたは１００ｋＨｚよりも高い。かかる実施形態の利点は、切り替え時間が溶解時定数よりも速いことである。
【００２３】
なおも他の例示的な実施形態では、少なくとも一つの電子ビーム制御板１２５が陰極放電チャンバ１００の内側に提供され、かつプラズマの少なくとも一部が電子ビーム制御板１２５と出口穴１２０との間に提供されるように配置される。かかる実施形態の利点は、電子放出の付加的な制御を提供することである。この実施形態の別の利点は、ビーム出力を増大することである。なおも別の利点は、出口穴を通る電子ビームの漏れを完全に減少できることである。なおも別の利点は、少なくとも一つの電子ビーム制御板が、プラズマ発生のための効果的な手段であることである。
【００２４】
なおも他の例示的な実施形態では、電磁石コイル１０３が、陰極放電チャンバ１００の内側に提供された少なくとも一つの電子ビーム制御板１２５と置き換えられ、プラズマの少なくとも一部が電子ビーム制御板１２５と出口穴１２０との間に配置される。かかる実施形態の利点は、出口穴を通るように電子を押し進めるためのコイルを備えるよりも構成が単純なことである。
【００２５】
さまざまな実施形態の別の態様では、本発明に従うプラズマ電子源装置を使用して、作業台上に提供された粉ベッドの少なくとも一つの層の一部であって、三次元体の連続した横断面に対応する一部を連続的に溶融することによって三次元体を形成できる。
【００２６】
なおも他の実施形態では、パルス電子ビームを生成するための方法が提供される。この方法は、陰極放電チャンバ内においてプラズマを発生するステップと、陰極放電チャンバと陽極との間に提供された加速された場によって、陰極放電チャンバにおける出口穴から電子を抽出するステップと、陰極放電チャンバ内部にプラズマを閉じ込めるための少なくとも一つの手段を提供するステップと、プラズマからの電子抽出が可能な第一の値とプラズマからの電子抽出を防止する第二の値との間で、プラズマを閉じ込めるための少なくとも一つの手段をスイッチングするステップと、を含む。
【００２７】
方法は、その対応する装置と同様の利点を有する。
【００２８】
本発明を、添付図面を参照して非限定的な方法において以下にさらに記述する。参照においては同一の記号が、図面のうちのいくつかの図の全体を通して対応する同様の部分を示すように使用される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に従うプラズマ電子源装置の第一の例示の実施形態を描写する。
【図１ｂ】本発明に従うプラズマ電子源装置の第二の例示の実施形態を描写する。
【図１ｃ】本発明に従うプラズマ電子源装置の第三の例示の実施形態を描写する。
【図２】平均電子ビーム電流を制御するための可変デューティサイクルを用いた、本発明のプラズマ電子源装置の動作の例示の実施形態を描写する。
【図３】その内部に本発明のプラズマ電子源装置を実装できる自由形状製作または付加的製造装置の例示の実施形態を描写する。
【図４ａ】本発明に従うプラズマ電子源装置の第四の例示の実施形態を描写する。
【図４ｂ】本発明に従うプラズマ電子源装置の第五の例示の実施形態を描写する。
【図４ｃ】本発明に従うプラズマ電子源装置の第六の例示の実施形態を描写する。
【図５】本発明に従うプラズマ電子源装置の第七の例示の実施形態を描写する。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
さまざまな実施形態を、本発明の全てではないが一部の実施形態を示す添付図面を参照してここで下文に、より完全に記述する。実際には、本発明のさまざまな実施形態は、多くの種々の形態において具体化でき、本明細書に説明する実施形態を限定するようには解釈されないはずである。むしろ、これらの実施形態は、この開示が、適用される法的要件を満たすように提供される。
【００３１】
本発明の理解を容易にするために、多くの用語を以下に定義する。本明細書に定義された用語は、本発明に関連する当業者が一般に理解するような意味を有する。「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」などの用語は、単数の存在のみを指すようには意図されず、例証に具体的な例を使用できるその大まかな集合も包含する。本明細書における専門用語は、本発明の具体的な実施形態を記述するために使用される。ただし、それらの使用は、請求項において範囲を示すことを除き、本発明の範囲を定めない。
【００３２】
本明細書に使用する「三次元構造」などの用語は、概して、意図されるまたは（例えば、一つまたは複数の構造材料から）実際に製作された、特定の目的のために使用することが意図された三次元構成を指す。そのような構造などは、例えば、三次元ＣＡＤシステムを用いて設計できる。
【００３３】
さまざまな実施形態において本明細書に使用する「電子ビーム」という用語は、任意の荷電粒子ビームを指す。荷電粒子ビームの源は、電子銃、線形加速器などを包含できる。
【００３４】
図３は、その内部に本発明のプラズマ電子源装置を実装できる自由形状製作または付加的製造装置３００の実施形態を描写する。装置３００は、電子銃３０２、２つの粉末ホッパ３０６および３０７、開始板３１６、組立タンク３１２、粉末分配器３１０、組立プラットフォーム３１４、ならびに真空チャンバ３２０を含む。
【００３５】
真空チャンバ３２０は、真空システムを用いて真空環境を維持できる。この真空システムは、当業者に公知のターボ分子ポンプ、スクロールポンプ、イオンポンプ、および一以上のバルブを含むことができる。それ故、この文脈においてさらなる説明は必要ない。真空システムは、制御ユニットによって制御される。
【００３６】
電子銃３０２は、開始板３１６上に提供された粉末材料３１８を共に溶解または溶融するために使用される電子ビームを生成している。電子銃３０２の少なくとも一部分は、真空チャンバ３２０内に提供できる。制御ユニット３４０を使用して、電子ビーム銃３０２から出される電子ビームを制御および管理できる。少なくとも一つの集束コイル（図示せず）、少なくとも一つの偏向コイル、および電子ビーム発生手段を、制御ユニット３４０に電気的に接続できる。本発明の例示の実施形態では、電子銃は、加速電圧が約６０ｋＶであり、ビーム出力が０〜３ｋＷの範囲内にある集束可能な電子ビームを生成する。エネルギービームを用いて層単位で粉末層を溶融することによって三次元体を作る場合には、真空チャンバ内の圧力は、１０−３〜１０−６ｍＢａｒの範囲内でもよい。
【００３７】
粉末ホッパ３０６および３０７は、組立タンク３１２内の開始板３１６上に提供される粉末材料を含む。粉末材料は、例えば、チタン、チタン合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｗ合金などの純金属または金属合金でもよい。
【００３８】
粉末分配器３１０が、開始板３１６上に粉末材料の薄層を積層するように配置される。作業サイクル中、組立プラットフォーム３１４は、その各々の段階において粉末材料の層を追加した後、光線銃に対して連続的に下げられる。この運動を可能にするために、組立プラットフォーム３１４は、本発明の一実施形態では、垂直方向、すなわち矢印Ｐに示す方向に動作可能に配置される。これは、組立プラットフォーム３１４が、必要な厚さの第一の粉末材料層が開始板３１６上に積層された初期位置から運動を開始することを意味する。組立プラットフォームは、その後、三次元体の新規の断面を形成するための新規の粉末材料層の積層に関連して下げられる。組立プラットフォーム３１４を下げるための手段は、例えば、歯車、調整ネジなどが備え付けられたサーボエンジンでもよい。
【００３９】
三次元体の連続した横断面に対応する粉ベッドの一部の連続的な溶融による三次元体の形成は、三次元体のモデルを提供するステップを含む。モデルは、ＣＡＤ（コンピュータ支援設計）ツールによって生成できる。
【００４０】
第一の粉末層は、いくつかの方法に従い作業台全体に粉末を均一に分配することによって作業台３１６上に提供できる。粉末を分配する一方法には、ホッパ３０６および３０７から落下した材料をレーキシステムによって集める方法がある。レーキが組立タンク全体を動くことによって、開始板全体に粉末を分配する。レーキの下部と開始板の上部または以前の粉末層との間の距離によって、開始板全体に分配される粉末の厚さが決定される。粉末層の厚さは、組立プラットフォーム３１４の高さを調整することによって容易に調整できる。
【００４１】
エネルギービームは、作業台３１６全体に方向づけられる。これにより第一の粉末層が選択された位置において溶融し、三次元体の第一の断面を形成する。エネルギービームは、電子ビームでもよいし、レーザビームでもよい。ビームは、制御ユニット（図示せず）によって与えられた指示に基づいて作業台３１６全体に方向づけられる。制御ユニット内に、三次元体の各層についてのビーム銃の制御方法に関する指示が保存される。
【００４２】
第一の層が完成した後、すなわち、三次元体の第一の層を作るための粉末材料の溶融後、第二の粉末層が作業台３１６上に提供される。第二の粉末層は、好ましくは、以前の層と同じ方法で分配される。単一レーキシステム、すなわち、一つのレーキが左側粉末ホッパ３０６および右側粉末ホッパ３０７の両方から落下した粉末を受け止めている形態の粉末分配器では、レーキはそれに応じて設計を変更できる。
【００４３】
第二の粉末層を作業台３１６上に分配した後、エネルギービームが作業台全体に方向づけられる。これにより第二の粉末層が選択された位置において溶融し、三次元体の第二の断面を形成する。第二の層において溶融した部分は、第一の層の溶融した部分と結合できる。第一および第二の層において溶融した部分は、最上層における粉末を溶解することに加えて、最上層の直ぐ下の層の厚さの少なくともごく一部も再溶解することによって、共に溶解できる。
【００４４】
第一の粉末層の選択された部分を溶融した後、第一の粉末層の少なくとも第一の溶融ゾーンの少なくとも一つの第一の画像が得られる。
【００４５】
図１ａは、本発明に従うプラズマ電子源装置１５０の第一の実例となる実施形態を描写する。プラズマ電子源装置１５０は、陰極放電チャンバ１００、選択的なガス注入口１０１、出口穴１２０、電磁石コイル１０３、陽極１０５、および選択的なビーム成形オプティクス１０５を含む。
【００４６】
陰極放電チャンバ１００には、ガスを陰極放電チャンバ内部に導き入れるガス注入口１０１が備え付けられる。ガスは、例えば、アルゴン、ヘリウム、ネオンまたはクリプトンでもよい。陰極放電チャンバ１００内部に導き入れられたガスは、出口穴１２０を通り漏れる。出口穴１２０は、陰極放電チャンバ１００内に提供されたプラズマ１０７から電子を抽出するために提供される。
【００４７】
図１ｂに描写する別の例示の実施形態では、プラズマは、陰極放電チャンバ１００の外側に提供されたＲＦ源１０２が発生する。ＲＦ源１０２は、その内部にＲＦ信号を導き入れるコイルでもよい。ＲＦ出力の周波数は、１０〜１５ＭＨｚでもよい。コイルからのＲＦ出力が、陰極放電チャンバ１００内にガスのＲＦ誘導放電を生成することによって、電子およびイオンを含むプラズマ１０７を発生する。ＲＦ出力は、５０〜５００ワットの範囲内でもよい。
【００４８】
図１ｃに従う代替的な実施形態では、プラズマ１０７は、フィラメント放電によって発生する。すなわち、図１ｂに描写するようなＲＦ源１０２の代わりに、イオンおよび電子を有するプラズマ１０７を発生するのに十分に高い電圧を有する、陰極放電チャンバ１００の内側に配置された陽極１３０および陰極１３２によってプラズマが発生する。
【００４９】
プラズマを発生する他のさまざまな方法がある。例えば、陰極放電チャンバの内側におけるガスに作用するマイクロ波を用いる方法がある。別の方法として中空陰極放電技術がある。陰極放電チャンバ内部にプラズマを発生するなおも別の方法として誘電体バリア放電がある。実際には、特定の技術および／または手段を本明細書に記述し得るが、本発明の範囲およぶ本質から逸することなく、プラズマを発生するための任意の様々な好適な技術をこの文脈に使用できる。
【００５０】
陰極放電チャンバ１００内部にプラズマ閉じ込めを生成するために、電磁石コイル１０３を提供できる。図１ｂの例示の実施形態では、ＲＦコイル１０２の外側に電磁石コイル１０３を提供できる。代替的な実施形態では、電磁石コイル１０３は、陰極放電チャンバ１００とＲＦコイル１０２との間に提供できる(例証せず)。なおも別の実施形態では、電磁石コイル１０３を陰極放電チャンバ１００の内側に提供できる(例証せず)。電磁石コイル１０３によって生成された、陰極放電チャンバ１００の内側の磁場強度は、プラズマ閉じ込めを生成するために１０〜３００ガウスの範囲内でもよい。プラズマ閉じ込めを使用することによって、比較的低いガス圧力において陰極放電チャンバ１００から電子を抽出し、電子抽出効率を増大できる。陰極放電チャンバ１００の内側における、電磁石コイル１０３を流れる所定の電流によって生成された磁場強度が、所定値未満である場合には、電子ビーム１０６を生成するために出口穴１２０から抽出される電子が不十分となることがある。しかしながら、陰極放電チャンバ１００の内側の磁場強度が所定値を上回る場合には、好適なプラズマ閉じ込めを生成し、電子ビーム１０６を生成するための電子を出口穴１２０から抽出できる。電子ビームを生成しないときの陰極放電チャンバ１００の内側の磁場強度は、０または本質的に０でもよい。一定かつ信頼性のある電子ビームを抽出する陰極放電チャンバ内の磁場強度は、チャンバ１００のサイズおよび寸法、ならびに陰極放電チャンバ内のガス圧力に大いに影響を受け得る。直径が１５ｃｍの円筒形のチャンバでは、出口穴１２０から電子を抽出するために、チャンバの内側に１０ガウスを上回る磁場強度が必要となり得る。より大きな直径のチャンバには、一定のガス圧力において電子を抽出するために、より大きな磁場強度が必要となり得る。陰極放電チャンバ１００の内側におけるガス圧力は、１０−４〜１００ｍｂａｒの範囲内でもよい。
【００５１】
プラズマ閉じ込めに使用される、電磁石コイル１０３内の無線周波数は、２〜８０ＧＨｚでもよい。ＲＦ源またはマイクロ波源の周波数は、陰極放電チャンバ１００の内側におけるガスの共振周波数、ならびに／または陰極放電チャンバのサイズおよび形状、すなわち、チャンバの共振周波数に応じて設定できる。
【００５２】
プラズマ１０７は、陰極放電チャンバ１００の中央に配置できる。例示の実施形態では、出口穴と陰極放電チャンバの内側のプラズマとの間の距離は、出口穴の直径の３〜４倍でもよい。
【００５３】
パルス電子ビームは、陰極放電チャンバの内側の磁場強度をスイッチオンおよびオフ、すなわち、コイル１０３を流れる電流をスイッチオンおよびオフすることによって生成できる。本質的に０である第一の値から電流をスイッチングした、陰極放電チャンバ１００の内側に十分な磁場強度を生成するための第二の値を、それ故、パルス電子ビームを生成するために使用できる。スイッチングの周波数は、１００Ｈｚ、１ｋＨｚまたは１００ｋＨｚよりも高くてもよい。コイル１０３内の電流をスイッチングするためのスイッチング手段は、コイル電流用のドライバとして当業者に公知の高周波電子回路を使用して実現できる。
【００５４】
また、閉じ込めコイル１０３を使用して電子ビームのスイッチングを実行する場合の源の動作は、パルスサイクルごとにプラズマを再発生する必要があるであろうプラズマ発生回路をスイッチングする場合よりも安定的である。
【００５５】
陰極放電チャンバ１００の外側の出口穴付近に陽極を提供できる。陰極放電チャンバと陽極との間に電圧を印加する。通常、陰極放電チャンバに生じる電位は−６０ｋＶであり、陽極に生じる電位は接地電位である。この配置によって、電子は、陰極放電チャンバ１００と陽極１０４との間の加速場において加速される。電位差の反転によって、陰極放電チャンバから負電子ではなく正イオンが抽出される。
【００５６】
選択的なビーム成形オプティクスを、電子ビームの成形、走査および／または集束のために陽極の下流に配置できる。
【００５７】
図２は、パルス幅変調によって平均電子ビーム電流を制御するための可変デューティサイクルの例示の実施形態を図示する。（図２の左側に図示する）より高いスイッチングデューティサイクルでは、（図２の右側に図示する）より低いスイッチングデューティサイクルと比較してより高い平均電子ビーム電流が生成される。コイル１０３内の電流のスイッチングデューティサイクルのオン／オフの変化が、陰極放電チャンバ１００から抽出される平均電子ビーム電流に影響を及ぼす。
【００５８】
これは、電子ビーム源がプラズマ源である場合に付加的製造において有用となり得る。溶解力は、必要に応じてパルスデューティサイクルを上または下に変化させることによって瞬時に変化させることができる。溶解力の迅速な制御によって、結果として表面仕上げ、微細構造および／または機械的性質に関してより優れた三次元体を生成できる。
【００５９】
前述の電子ビームの生成では、（電子ビーム強度が長期にわたり変化しない）高品質電子ビームを作ることが極めて容易である。陰極放電チャンバの内側のプラズマをオンおよびオフにスイッチングしないため、電子ビームの質に影響を与えるプラズマのスイッチオンおよびオフを無視できる。電子ビーム電流の変動に関しては、大体一定である。平均ビーム電流は、コイル１０３内の電流のスイッチオン／オフのデューティサイクルを変化させることによって交番できる。
【００６０】
図４ａは、本発明に従うプラズマ電子源装置の第四の非制限的かつ例示的な実施形態を描写する。第四の例示の実施形態と図１ａに図示する第一の例示の実施形態との差異は、付加的な電子ビーム制御板１２５のみである。
【００６１】
電子ビーム制御板１２５は、陰極放電チャンバ１００に対して正電位または負電位に設定できる。電子ビーム制御板１２５に生じる電位は、α±εｋＶの範囲内でもよい。αは、陰極放電チャンバに生じる電位であり、εは、陰極放電チャンバ１００に対する電位差である。αは、１０〜１００ｋＶの範囲内でもよく、εは、１０〜１０００Ｖの範囲内でもよい。例示の実施形態では、εは、−５０Ｖであり、陰極放電チャンバの内側のプラズマ内の電子は、出口穴１２０の方に押し進められる。スイッチオンされた電磁石コイル１０３は、負の値であるεを有する電子ビーム制御板と協同する。すなわち、より多くの電子が出口穴１０３を通るように押し進め、より高い電子ビーム電流の生成を可能にする。
【００６２】
別の例示の実施形態では、εは、＋５０Ｖであり、陰極放電チャンバの内側のプラズマ内の電子は、電子ビーム制御板１２５の方に押し進められる。スイッチオフされた電磁石コイル１０３は、正の値であるεを有する電子ビーム制御板と協同する。すなわち、電子が出口穴１０３を通り抽出されることを防止する。
【００６３】
図４ｂは、本発明に従うプラズマ電子源装置の第五の例示の実施形態を描写する。図１ｂに図示する第二の例示の実施形態と比較した第五の例示の実施形態の差異は、付加的な電子ビーム制御板１２５のみである。
【００６４】
なおも別の例示的な実施形態では、コイル１０３を電子ビーム制御板１２５と完全に置き換えることができる。これは、図４ｃに描写する本発明の第六の例示の実施形態に見ることができる。出口穴１０３からの電子の抽出は、この実施形態では電子ビーム制御板１２５の電位のみに応じて決まる。εが負である場合には、プラズマ内の電子は、出口穴に押し進められる。εが正である場合には、プラズマ内の電子は、出口穴を通り抽出されることが防止される。
【００６５】
プラズマの全体の荷電状態は、プラズマ内に電子よりもイオンが多いことに起因して正でもあり得る。電子に作用する、板１２５からの電気力は、イオンによって遮ることができる。そのような場合では、プラズマは、正電圧によって出口穴１２９の方に押される。
【００６６】
電子ビームのスイッチオンおよびオフのために、電子ビーム制御板のみを有する場合、すなわち、コイル１０３がない場合には、εは、１００〜１００００Ｖの範囲内にある必要があり得る。
【００６７】
特定の実施形態では電子ビーム制御板１２５は略平面でもよいが、図５に描写するような代替的な実施形態では、電子ビーム制御板１２５は、電子を出口穴１２０の方に下向きに押す電場に加えて、陰極放電チャンバ１００の重心軸の方に電子を押す電場も提供するような非平坦なものでもよい。非平坦な制御板１２５は、図４ａおよび／または図４ｂに描写するような実施形態にも使用できる。本発明のなおも別の例示の実施形態では、制御板は、出口穴１２０の方向を向いた開口を有するリングでもよい。リング状の制御板を使用することによって、プラズマがリング内部に集中し、そしてまた、リングにかかる電位に応じて穴の方にまたは穴から離れて移動できる。負電位では、プラズマは出口穴１２０の方に押し進められ、正電位では、プラズマは出口穴１２０から離れて押し進められる。また、電位は、前述したのと同じ理由で、すなわち、プラズマの瞬間の全体の荷電状態に応じて反転できる。
【００６８】
高速スイッチングは、ビームが第一の位置から第二の位置まで走査される場合に、付加的製造におけるビームのスイッチオフにも有用であり得る。ビームは、ビームが正しい溶解位置または加熱位置にあるときにスイッチオンされる。これにより不適当な溶解または加熱が起こらない。すなわち、溶解は所定位置のみで起こる。例えば、電子ビーム走査中に電子ビームをスイッチオフできるため、粉末材料全体にわたって電子ビームを走査している間に粉末の加熱が起こることはない。
【００６９】
作業台上に提供された、三次元体の連続した横断面にその一部が対応する粉ベッドの少なくとも一つの層の一部の連続的な溶融によって三次元体を形成するための付加的製造の例示の実施形態では、粉末材料の溶融にプラズマ電子銃を使用する。電子ビーム発生は、電子ビームの走査中にスイッチオフされる。すなわち、プラズマ電子銃の陰極放電チャンバの出口穴の下流に提供された走査コイルの設置を変化している間にスイッチオフされる。
【００７０】
作業台上に提供された、三次元体の連続した横断面にその一部が対応する粉ベッドの少なくとも一つの層の一部の連続的な溶融によって三次元体を形成するための付加的製造のなおも別の例示の実施形態では、粉末材料の溶融にプラズマ電子銃を使用する。平均ビーム電流は、コイル１０３内の電流のスイッチオン／オフのデューティサイクルを変化することによって交番される。
【００７１】
本発明のさらなる別の例示の実施形態では、コイル１０３に提供される電流を変化させることにより、出口穴１２０から抽出される電子の数を変化させることができる。コイル１０３内の電流を異ならせることにより、出口穴１２０から抽出される電子の数を変化させることができる。通常、コイル１０３を流れる電流が増大すると、出口穴１２０を通り抽出される電子の数も増大する。通常、コイル１０３を流れる電流が減少すると、出口穴１２０を通り抽出される電子の数も減少する。コイル１０３を流れる電流のアナログ変化によって、出口穴１２０から出る電子の数を急速に変化させることができる。これと同様の方法を電子ビーム制御板にも応用できる。すなわち、電子ビーム制御板１２５に印加される電位の変化が、出口穴１２０から出る電子の数に影響を及ぼし得る。前に与えられた例などでは、出口穴１２０から出る電子の数を一斉に異ならせるために、電流がコイル１０３内のみにおいて異なり得、もしくは電位が電子ビーム制御板１２５のみに対して変化し得る。または、電流がコイル１０３内において異なり得、そして電位が電子ビーム制御板１２５のみに対して変化し得る。
【００７２】
代替的な実施形態では、コイルを流れる電流をスイッチオンおよびオフするのと同時に、コイルを流れる電流を異ならせてパルス電子ビームを生成する。すなわち、電子ビームの各パルスは、コイル１０３を流れる電流の量が異なるため、異なる数の電子を含むことができる。これは、電子ビーム制御板にも応用できる。すなわち、電位をスイッチオンおよびオフするのと同時に電位を異ならせることができる。これは、２つの連続的な電位のスイッチングが、出口穴１２０を通って出る電子の所定の数を達成するために種々の値を取ることができることを意味する。コイルおよび電子ビーム制御板の両方をスイッチオンおよびオフするときに、電子ビーム制御板の電位の変動と、コイル１０３を流れる電流の変化とを組み合わせることも可能である。
【００７３】
プラズマ１０７からの電子抽出が可能な第一の値とプラズマ１０７からの電子抽出を防止する第二の値との間で、プラズマを閉じ込めるための少なくとも一つの手段をスイッチングするためのスイッチング手段は、コンピュータ制御信号発生器１９０でもよい。信号発生器は、電源、電流源、電圧源および／または周波数供給器でもよい。
【００７４】
本発明は、前述の実施形態に限定されず、以下の請求項の範囲内の多くの変更が可能である。そのような変更は、例えば、レーザビームなどの例証した電子ビームとは異なるエネルギービームの源の使用を含むことができる。ポリマーの粉末またはセラミックの粉末などの金属粉末とは異なる材料を使用できる。実際に、当業者は、本発明のさまざまな実施形態を変更するために、逐語的に記述された方法ではなく、それでもなお添付の請求項によって網羅される方法で、先行する文章に含有される情報を使用できるであろう。これにより彼らは、実質的に同じ機能を達成して実質的に同じ結果に至ることができる。それ故、本発明が開示した具体的な実施形態に限定されず、変更および他の実施形態が添付の請求項の範囲内に含まれるように意図されることが理解される。具体的な用語を本明細書に使用したが、それらは包括的かつ説明的な意味のみにおいて使用され、限定することを意味しない。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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