Discovered nearly 150 years ago, electron beams contribute to nearly every discipline of science and technology. Recently, this mature field has found new purpose in the domain of Additive Manufacturing, resulting in significant industrial and academic interests. In nearly all cases, the process is examined through the lens of a single commercial supplier with limited access to fundamental process parameters. The objective of this thesis is to examine the fundamental science and technology underpinning electron beam powder bed fusion, beginning with thermionic emission and ending with single layers of consolidated powder.

Between these points, the generation and control of an electron beam is explained, highlighting the specific opportunities and challenges compared to laser-based processes. Slotted Faraday Cup measurements experimentally demonstrate many of the issues associated with steering and focusing a beam of negatively charged particles. Using a novel calorimetric measurement technique, the fraction of absorbed energy is directly measured and compared to Monte-Carlo simulations over a range of process conditions. Next, the combined effects of beam and geometric parameters are examined with respect to dissimilar electron beam welding of titanium to niobium. The differences in material properties magnify how small variations to the process inputs induce large variations in melt pool stability via convective and evaporative heat transfer. These concepts of energy absorption and melt pool stability are extended in the final chapter, which directly measures the absorbed current during pulsed electron beam melting of solid and powder titanium. Our results show, that above the melting temperature, energy and charge transfer are coupled, which we attribute to the ionization of the Ti vapor. To the best of our knowledge, these measurements are the first of their kind, and suggest a new domain of investigation for electron beam powder bed fusion.

Découvert a près de 150 ans, les faisceaux d’électrons ont contribué à presque toutes les disciplines de la science et technologie. Récemment, ce domaine mature a trouvé un nouvel objectif dans le domaine de la fabrication additive, résultant en des intérˆets industriels et académiques significatifs. Dans presque tous les cas, le processus est examiné à travers la lentille d’un seul fournisseur commercial avec un accès restreint aux paramètres de processus fondamentaux. L’objectif de cette thèse est d’examiner la science et la technologie fondamentale qui sous-tendent la fusion du lit de poudre du faisceau d’électrons, en commençant par l’émission thermionique et en terminant par des couches uniques de poudre consolidée.

Entre ces points, la génération et le contrõle d’un faisceau d’électrons est expliqué, mettant en évidence les opportunits et les défis spécifiques par rapport au processus basé sur le laser. Les mesures de la Coupe Faraday à fentes démontrent expérimentalement plusieurs des problèmes associés à la direction et à la focalisation d’un faisceau de particules chargées négativement. En utilisant une nouvelle technique de mesure calorimétrique, la fraction d’énergie absorbée est directement mesurée et comparée aux simulations de Monte-Carlo sur une gamme de conditions de processus. Ensuite, les effets combinés du faisceau et des paramètres géométriques sont examinés par rapport au soudage dissemblable par faisceau d’électrons du titane au niobium. Les différences dans les propriétés des matériaux amplifient la manière dont les petites variations des intrants induisent de grandes variations dans la stabilité de la masse fondue par transfert de chaleur par convection et évaporation. Ces concepts d’absorption d’énergie et de stabilité de la masse fondue sont développés dans le dernier chapitre, qui mesure directement le courant absorbé lors de la fusion par faisceau d’électrons pulsé de titane solide et pulvérulent. Nos résultats montrent qu’au-dessus de la température de fusion, l’énergie et le transfert de charge sont couplés, ce que nous attribuons l’ionisation de la vapeur de Ti. Au meilleur de nos connaissances, ces mesures sont les premières du genre et suggèrent un nouveau domaine d’investigation pour la fusion de lit de poudre par faisceau d’électrons.