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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur generativen und schichtweisen Herstellung eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 5.
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Beim selektiven Laserschmelzverfahren werden die Werkstoffeigenschaften insbesondere durch den Bauprozess und dessen Prozessparameter beeinflusst. Dazu gehören die Belichtungs- und Gasströmungsrichtung, der beim Schmelzen entstehende Schmauch, die ebenfalls beim Schmelzen entstehenden Schweißspritzer, die Schweißspurausrichtung, die Laserstabilität und die Laserpositioniergenauigkeit auf den zu bearbeitenden Werkstoff. Die Qualität der generativ gefertigten Bauteile hängt von der Reproduzierbarkeit eines stabilen SLM Prozesses ab.
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Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der Druckschrift
EP 1 296 788 B1 bekannt. Dabei wird die Temperaturverteilung im Pulverbett erfasst. Es werden damit insbesondere die Temperatur im Schmelzbad, die Abkühltemperatur und die Pulverbetttemperatur mit einer Kamera erfasst. Weitere Angabe zur Temperaturerfassung sind aus dieser Druckschrift nicht entnehmbar. Allgemein bekannt sind sogenannte Infrarotkameras zur Erfassung von Temperaturverteilungen. Solche IR-Kameras können die aktuelle Temperatur der Oberfläche des Pulvers messen. Diese IR-Kameras haben den Nachteil, dass sie eine vergleichsweise geringe Ortsauflösung aufweisen.
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Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzustellen, die den SLM-Prozess stabilisiert und eine hohe Ortsauflösung aufweist.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 oder durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 5 gelöst.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen und schichtweisen Herstellung eines Bauteils mittels einer Energiequelle, die eine in einem Bauraum befindlichen Werkstoff, insbesondere Metallpulver, schichtweise umwandelt, insbesondere aufschmilzt. Dabei wird die in den Werkstoff durch die Energiequelle eingebrachte Energie in Abhängigkeit der Position im Bauraum mittels einer Detektionseinrichtung von mindestens einer Bauteilschicht erfasst. Der erforderliche Energieeintrag wird in den Werkstoff positionsabhängig geregelt.
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Dies ist insbesondere vorteilhaft da damit keine Temperaturmessung durchgeführt wird, sondern die tatsächlich in den Werkstoff eingeflossene Energie erfasst wird. Es wird anhand einer Kalibrierung von Grauwerten, die durch die Detektionseinrichtung positionsabhängig erzeugt werden, zur eingestellten Laserenergie eine physikalische Einheit eingeführt. Damit werden die Grauwerte einer tatsächlichen, im Prozess auftretenden, Vergleichsgröße – hier eingeführte Energie – zugewiesen. Um einen Temperaturwert darzustellen, müsste die Temperatur mit Hilfe eines zweiten nicht vorgesehenen Messsystems im Moment des Aufschmelzens gemessen werden. Da dies sehr aufwendig ist, wird die eingestellte Laserenergie als Referenzgröße verwendet, die zur Verfügung steht. Zudem ist die Temperatur eine zeitabhängige Messgröße. Mit dem hiesigen Verfahren können, wegen der langen Belichtungszeit der Detektionseinrichtung, vorzugsweise eine Kamera für Wellenlängen zwischen 370 nm und 1100nm, allenfalls gemittelte Temperaturen erfasst werden. Eine Kalibrierung zur eingebrachten Energie reicht für eine quantitative Aussage über die Qualität des Bauprozesses aus.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Regelung mittels erneutem Energieeintrag mittels der Energiequelle an den Positionen des Bauteils durchgeführt, an denen zu wenig Energie eingebracht wurde. Damit wird sichergestellt, dass beim schichtweisen Aufbau des Bauteils in jeder Schicht geprüft wird, ob insbesondere im SLM-Verfahren, der insbesondere pulverförmige Werkstoff ausreichend Energie erhalten hat, um mit der vorherigen erzeugten Werkstoffschicht eine Schmelzverbindung einzugehen. Dabei werden die Stellen mit Energie nachbearbeitet, die noch unzureichend bzw. gar nicht aufgeschmolzen wurden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird pulverförmiger (kann auch flüssig sein) Werkstoff auf Bereiche aufgebracht, die zu wenig Werkstoff beim Aufbau der Bauteilschicht aufweisen. In Kombination oder alternativ dazu wird auf die bereits erzeugte Bauteilschicht Pulver aufgetragen. Dabei kann gezielt auf Pulverfehlstellen Werkstoff nachgefüllt werden. Alternativ oder in Kombination dazu kann über den gesamten Bauraum eine neue Pulverschicht aufgebracht werden, so dass das Bauteil mit einer neuen Pulverschicht vollständig überdeckt ist. Es entstehen also Bereiche, bei den wenig Pulver aufgeschmolzen werden muss, und andere Bereiche, bei den viel Pulver aufgeschmolzen werden muss. Diese verschiedenen Bereiche sind aus den Meßwerten der Detektionseinrichtung bekannt, da ortabhängig im Bauraum erfasst wird, ob (pulverförmiger) Werkstoff fehlt.
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Dementsprechend wird in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform mindestens ein Parameter der Energiequelle positionsabhängig derart angepasst, dass der neu aufgebrachte Werkstoff eine Verbindung mit dem bereits umgewandelten Werkstoff eingeht. Als Energiequelle wird vorzugsweise ein Laser mit einer Arbeitswellenlänge von 1050 nm verwendet. Dabei können die Laserleistung und/oder die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls entsprechend angepasst werden, so dass das neuaufgebrachte Pulver auf Pulverfehlstellen entsprechend aufschmilzt. Ortabhängig, insbesondere in Abhängigkeit der Messwerte der Detektionseinrichtung werden die Laserparameter eingestellt, sodass dabei ein homogenes Materialgefüge im herzustellenden Bauteil entsteht. Dies ist auch der Fall, wenn in den Werkstoff zu wenig Energie eingebracht wurde.
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Die Erfindung betrifft in einer Alterativen eine Vorrichtung zur generativen und schichtweisen Herstellung eines Bauteils mit einem Bauraum, der einen Werkstoff zum Aufbauen des Bauteils aufweist, einer Energiequelle, mit der ein auf den Werkstoff gerichteter Energiestrahl erzeugbar ist und Energie in den Werkstoff einbringbar ist, einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Energiequelle und/oder Werkstoffmenge und einer Detektionseinrichtung zur positionsabhängigen Erfassung der in mindestens einer Werkstoffschicht eingebrachten Energie. Die Detektionseinrichtung ist derart an die Steuereinrichtung angeschlossen ist, dass die Energiequelle entsprechend des erforderlichen Energieeintrags an den entsprechenden Positionen im Bauraum in den Werkstoff geregelt ist.
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Mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Bauteilqualität sichergestellt, die eine zeitintensive und aufwendige Nachuntersuchung zur Materialfehlerdetektion überflüssig macht. Vorzugsweise wird für eine Energiequelle vorzugsweise ein Laser und/oder eine Elektronenkanone verwendet.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die optische Achse der Detektionseinrichtung um einen Winkel α aus dem zur Bauebene gerichteten Lot geneigt. Der Neigungswinkel liegt vorzugsweise zwischen 5° und 25°. Damit kann wirksam vermieden werden, dass Reflexionsstrahlung der Energiequelle in die Detektionseinrichtung gelangt, sondern nur Absorptionsstrahlung erfasst wird. Vorzugsweise wird lediglich die vom glühenden Schmelzbad ermittierte Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich erfasst. Zur Orientierung strahlt ein sogenannter Schwarzer Strahler unter 850K ausschließlich im infraroten Bereich, d.h. Strahlung mit einer Wellenlängen größer als 800nm.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Detektionseinrichtung einen optischen Filter auf. Dieser Filter kann beispielsweise alle Wellenlängen größer als 800 nm dämpfen. Es kann sich dabei um einen Bandpassfilter handeln, der nur Wellenlängen von 400nm bis 800 nm durchlässt. Werden insbesondere die Wellenlängen der Energiequelle gedämpft, so kann damit ebenfalls für die Messung störende Reflexionsstrahlung unterdrückt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Bauraum in einer Schutzgasatmosphäre, insbesondere Argon, angeordnet. Damit können unerwünschte Oxidverbindungen vermieden werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Detektionseinrichtung einen hochauflösenden Detektor, insbesondere einen CMOS, sCMOS und/oder einen CCD-Sensor zum Erfassen von Strahlungsintensität im Wellenlängenbereich von 370nm bis 1100 nm. Diese ist insbesondere vorteilhaft, da solche bspw. CCD-Sensoren eine höhere optische Auflösung aufweisen als vergleichbare Infrarotsensoren. Diese höhere optische Auflösung führt zu einer höheren Ortsauflösung im Bauraum, so dass die entsprechenden Parameter gezielter geregelt werden können.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und aus den Unteransprüchen entnehmbar. Anhand der schematischen Zeichung wird im Detail mindestens ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel beschrieben. Dabei zeigen:
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1 eine Seitendarstellung einer SLM-Anlage;
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2 eine Draufsicht auf den Bauraum als Meßwert der Detektionseinrichtung bei Pulvermangel;
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3 eine Draufsicht auf den Bauraum als Meßwert der Detektionseinrichtung bei Energiemangel; und
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4 einen Schnitt durch den bereits aufgeschmolzenen Werkstoff in den verschiedenen Herstellstadien und Ausführungsformen.
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Die 1 zeigt eine Seitendarstellung einer SLM-Anlage 1 mit einem Bauraum 2 und einer optischen Vorrichtung 3. Der Bauraum 2 ist wird durch eine Schutzkammer 4 abgedeckt. Im unteren Bereich des Bauraums 2 ist der dreigeteilte Baubereich 5 angeordnet. Im rechten Bereich ist der Pulvervorrat 6 mit einem in der z-Richtung (vertikal) verschiebbaren Pulvervorrattisch 7 angeordnet. Der Pulvervorrat 6 wird durch die vertikalverlaufende rechte Wandung 11 und die vertikalverlaufende rechtsmittlere Wandung 12 begrenzt. Im mittleren Bereich des Bauraums 2 wird das Bauteil 8 hergestellt. Das Bauteil 8 wird auf einer vorzugsweise horizontal angeordneten Plattform 9 aufgebaut, die auf einem ebenfalls vorzugsweise horizontal angeordneten Plattformtisch 10 befestigt ist. Der Plattformtisch 10 wird durch eine vertikalverlaufenden linksmittlere Wandung 13 und der rechtsmittleren Wandung 12 begrenzt. Im linken Bereich des Bauraums 2 ist der Auffangbehälter 15 mit einem vorzugsweise vertikal verschiebbaren Restpulvertisch 16 angeordnet, der durch eine linke Wandung 14 und die linksmittlere Wandung 13 begrenzt wird.
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Im seitlichen Bereich des Bauraum 2 in der Wand der Schutzkammer 4 sind sowohl auf der linken als auch auf rechten Seite Gasanschlüsse 17 und 18 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Schutzgaseinlass 17 auf der linken Seite und der Schutzgasauslass 18 auf der rechten Seite angeordnet, so dass die Strömung des Schutzgases von links nach rechts verläuft, wie durch die Pfeile 20 angedeutet. Jede beliebige Strömungsrichtung ist vorstellbar. So kann der Schutzgasstrom senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufen.
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Soll nun vorzugsweise Metallpulver über das halbfertige Bauteil 8 aufgebracht werden, so wird der Pulvervorratstisch 7 vertikal um einen bestimmten Weg hochgefahren. Entsprechend wird der Bauplattformtisch 10 um einen bestimmten Weg nach unten gefahren. Der Betrag der beiden Wege kann identisch sein, muss aber nicht. Der in der Mitte der 1 abgebildete Rakel 21 befindet sich in der Nähe der rechten Wandung und fährt von rechts nach links. Dabei schiebt der Rakel 21 einen Pulverberg 22 vor sich her. Auf linken Seite des Bauraums 2 angekommen fällt das überschüssige Pulver in den Auffangbehälter 15. Der Pulverauftrag kann auch von oben, z. B. über Düsen erfolgen.
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Im oberen Bereich des Bauraums 2 ist die optische Vorrichtung 3 angeordnet. Diese optische Vorrichtung 3 umfasst die Detektionseinrichtung 31 (optische Kamera), Steuereinrichtung 32 und die Energiequelle 33 (hier einen Laser). Dabei ist der Messausgang 34 der optischen Kamera 31 an den Steuereingang 35 (hier kabelgebunden) angeschlossen. Die Steuerausgänge 36 und 37 (hier nur 2 Ausgänge angedeutet) der Steuereinrichtung 32 sind am Laser 33 (kabelgebunden) angeschlossen. Die Detektionseinrichtung 31 bzw. die optische Achse 37 steht nicht senkrecht zur Bauebene 35. Diese Senkrechte bzw. der Lot wird durch das Bezugszeichen 36 wiedergegeben. Die optische Achse 37 ist vorzugsweise zwischen 15° und 20° aus dem Lot 36 geneigt. Damit wird vermieden, dass der auf den Werkstoff treffende Laserstrahl 38 in die Detektionseinrichtung reflektiert wird und damit eine erhöhtes Grundrauschen in den Messwerten der Detektionseinrichtung verursacht.
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Nachdem frisches Metallpulver über das halbfertige Bauteil 8 aufgebracht wurde, trifft der Laserstrahl 38 im Punkt 48 auf und schmilzt dort das Metallpulver auf. Beim Schmelzen glüht das Metall und diese Strahlung, vorzugsweise im optischen Bereich, wird von der Detektionseinrichtung 31 erfasst. Der Laser 33 wird entsprechend der 3D-Struktur des herzustellenden Bauteils über die Steuereinrichtung 32 geführt. Hat der Laser 33 die entsprechenden Stellen bearbeitet, so entstehen in der Detektionseinrichtung 31 dann die in den 2 und 3 dargestellten Bilder.
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Die 2 und 3 geben eine Draufsicht auf die Bauebene 35 aus Sicht der Detektionseinrichtung 31. Dunkle Stellen geben Bereiche an, die nicht zu glühen gebracht wurden, und weiße Stellen geben Bereiche an, die ausreichend zu glühen gebracht wurden, dh. ausreichend Energie eingebracht wurden. So sind dunkle Stellen kalte Bereich und helle Stellen warme Bereiche. Während der Belichtung durch den Laserstrahl 38 kann die Detektionseinrichtung 31 über die gesamte Belichtungszeit auf Empfang bleiben. Allerdings werden diese in den 2 und 3 abgebildeten Bilder vorzugsweise aus kleineren Einzelbilder zusammengesetzt. Damit werden durch den Bauraum 2 fliegende und glühende Metallpartikel ausgeblendet, da nur der Bereich erfasst wird, in dem der Laserstrahl 38 tatsächlich arbeitet. So liegen Belichtungszeiten typischerweise zwischen 1ms und 5000ms. Vor der Detektionseinrichtung 31 kann ein optischer Filter 71 angeordnet sein, der insbesondere die Reflexionsstrahlung dämpft. Dies kann ein Filter sein, dass die Wellenlänge der Energiequelle 33 dämpft. Auch ein zu hoher Energieeintrag kann detektiert werden. Mit der Erfindung sind z.B. Rückschlüsse auf Bindefehler möglich.
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Die Schichtdicke d wird ausschließlich über die z-Positionierung des Plattformtisches 10 definiert. Durch ein Absacken des Pulvers oder ungleichmäßige Verteilung des Pulvers im Pulvervorrat 6 kann die aufgetragene Pulvermenge beeinflusst werden. Dies ist beispielsweise in der 2 wiedergegeben. Es ist ein Ausschnitt aus einer Draufsicht auf das Bauteil 8 wiedergegeben. Es ist ein dunkler Bereich 41 und ein heller Bereich 42 erkennbar. Der dunkle Bereich 41 gibt den Bereich an, bei dem kein Metallpulver aufgetragen wurde. Der helle Bereich 42 gibt den Bereich an, bei dem ausreichend Metallpulver aufgetragen wurde. In diesem hellen Bereich 42 ist ein linienförmiger dunkler Bereich 43 erkennbar. Dieser ist dadurch entstanden, dass bspw. ein Schweissspritzer vom Rakel 21 beim Pulverauftragen mitgezogen worden und sich entsprechend in die Metallpulverschicht eingegraben und das Metallpulver mitgegenommen hat, so dass an dieser Stelle 43 ebenfalls zu wenig Pulver aufgebracht wurde.
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Hintergrund dieser Helligkeitsverteilung ist, dass regulär mit Pulver beschichtete Flächen (heller Bereich 42) eine höhere Temperatur erreichen und somit mehr Energie abstrahlen als bereits verfestigte Schichten (dunkler Bereich 41). Verstärkt wird dieser Effekt durch die unterschiedlichen Wärmeleitungseigenschaften zwischen Pulver und einem Festkörper, die beim Festkörper höher ist als beim Pulver. Damit kann die im Pulver gespeicherte Wärme schlechter abfließen.
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Ferner ist in 2 erkennbar, dass die Oberfläche des Bauteils 8 mehrere Bahnen 44 aufweist. Diese verlaufen in der 2 im Wesentlichen horizontal und in der 3 im Wesentlichen vertikal. Der Laserstrahl 38 wird typischerweise alternierend wie z.B. in einer Schlangenlinie 46 geführt und gibt diese Bahnen 44 wieder. Beim Überlappen der Bahnen 44 entstehen diesen Bahnlinien 47.
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In der 3 ist das vorständige Bauteil 8 erkennbar (heller Bereich). Das Bauteil 8 ist von vollständig von Pulver umgeben (weiterer dunkler Bereich 50). Das Bauteil 8 weist 3 Öffnungen 51, 52 und 53 auf, die in dieser Darstellung ebenfalls dunkel wiedergeben sind, da das Pulver an dieser Stelle nicht verfestigt wurde. Innerhalb der Bahnen sind partiell dunkel Streifen 56 und 58 erkennbar. Es sind auch beliebige Grautöne vorstellbar, die den unterschiedlichen Energieeintrag wiederspiegeln. Allerdings ist dies hier in der schwarz-weiss Strichfigur nicht darstellbar. Erfindungsgemäß kann nun die Steuereinheit 32 nach der Auswertung der von der Detektionseinrichtung erfassten Messwerte (wie in den 2 und 3 wiedergegeben) den Laserstrahl 38 konkret an die schlecht bzw. gar nicht belichteten Stellen 56 und 58 gelenkt werden, um nachträglich den Werkstoff entsprechend den Vorgaben korrekt aufzuschmelzen, damit die gewünschten Werkstoffeigenschaften erfüllt sind.
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In den 4A bis F sind die erfindungsgemäßen unterschiedlichen Herstellstellstadien wiederzufinden, bei den Pulvermangel vorlagen. In 4A ist eine erste verfestigte Schicht n – 1 mit einer Dicke d zu sehen. Darüber wurde Pulver 61 aufgetragen, allerdings fehlerhaft wie in 2 wiedergegeben wurde. Im nächsten Schritt (siehe 4B) wird dieses fehlerhaft aufgetragene Pulver 61 mit Hilfe des Lasers 33 als Schicht n verfestigt.
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In einer ersten Ausführungsform kann nun nur dort das nachträglich aufgetragene Pulver 62 an nur den fehlenden Stellen aufgetragen werden. Der Laserstrahl 38 verfestigt das nachträglich aufgetragene Pulver 62 zu der Schicht n‘.
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In einer zweiten Ausführungsform (in Kombination oder alternativ dazu) wird über das Bauteil 8 ein zusätzliches Pulver 63 aufgetragen (siehe 4E). Es ist erkennbar, dass im linken Bereich 64 weniger Pulver 63 aufgetragen wurde als im rechten Bereich 65. Aufgrund der Grauschattierungen aus der Darstellung aus den 2 und 3 wird ortsabhängig die Laserleistung P und/oder die Laserstrahlvorschubgeschwindigkeit derart geändert, dass im linken Bereich 64 weniger Energie in den Werkstoff eingebracht wird als im rechten Bereich 65. Die eingebrachte Energie wird derart geregelt, dass die neue Schicht n+1 im linken Bereich sich mit der darunter befindlichen Schicht n aufschmilzt und im rechten mit der darunter befindlichen Schicht n – 1 aufschmilzt, so dass ein im Wesentliches homogenes Materialgefüge entsteht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- SLM-Anlage
- 2
- Bauraum
- 3
- optische Vorrichtung
- 4
- Schutzkammer
- 5
- Baubereich
- 6
- Pulvervorrat
- 7
- Pulvervorrattisch
- 8
- Bauteil
- 9
- Plattform
- 10
- Plattformtisch
- 11
- rechte Wandung
- 12
- rechtsmittlere Wandung
- 13
- linksmittlere Wandung
- 14
- linke Wandung
- 15
- Auffangbehälter für Restpulver
- 16
- Restpulvertisch
- 17
- Schutzgaseinlass
- 18
- Schutzgasauslass
- 20
- Pfeile (für die Strömungsrichtung)
- 21
- Rakel
- 22
- Pulverberg
- 31
- Detektionseinrichtung (optische Kamera)
- 32
- Steuereinrichtung
- 33
- Energiequelle (Laser)
- 34
- Messausgang von Detektionseinrichtung
- 35
- Bauebene
- 36
- Lot auf Bauebene
- 37
- optische Achse der Detektionseinrichtung
- 41
- dunkler Bereich
- 42
- heller Bereich
- 44
- Bahn
- 46
- Schlangenlinie
- 47
- Bahnlinie
- 50
- weitere dunkler Bereich
- 51, 52, 53
- Öffnungen
- 61
- fehlerhaft aufgetragene Pulver
- 62
- nachträglich aufgetragene Pulver
- 63
- zusätzlich aufgetragene Pulver
- 64
- linker Bereich
- 65
- rechter Bereich
- 71
- optischer Filter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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