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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur insbesondere laserbasierten generativen Fertigung. Ferner betrifft sie die Bereitstellung von Werkzeugen, die insbesondere für eine Vorbereitung von entsprechend nivellierten Pulverflächen für einen nachfolgenden Fertigungsvorgang eingesetzt werden.
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Die laserbasierte generative Fertigung von - insbesondere metallischen oder keramischen - Werkstücken basiert auf einem Verfestigen eines auf einer Bauplattform in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterials durch die Bestrahlung mit Laserlicht. Dieses Konzept - auch als selektives Laserschmelzen (SLM: selective laser melting), Pulverbettfusion sowie Laser Metall Fusion (LMF) bekannt - wird in Maschinen für den (metallischen) 3D-Druck, sogenannten Additive-Manufacturing-Anlagen, eingesetzt. Eine beispielhafte Maschine zur generativen Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen mittels SLM ist in der europäischen Patentanmeldung
EP 2 732 890 A2 der Sisma S.p.A. offenbart. Die Vorteile der generativen Fertigung sind allgemein eine einfache Herstellung von komplexen und individuell erstellbaren Teilen. Dabei können insbesondere definierte Strukturen im Innenraum und/oder kraftflussoptimierte Strukturen realisiert werden.
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Der Vorgang der laserbasierten generativen Fertigung findet in einer Baukammer auf einer Arbeitsfläche in einem Fertigungsraum statt. Auf eine Bauplattform wird frisches Pulver zur lagenweisen Herstellung eines 3D-Bauteils mit einem Beschichterwerkzeug aufgetragen. Das Beschichterwerkzeug (oft in Form eines Schiebers, Wischers, Rakels oder einer Bürste) wird nachfolgend allgemein als Auftragswerkzeug bezeichnet. Während des Fertigungsvorgangs kann es notwendig werden, das Beschichterwerkzeug auszutauschen. Beispielsweise offenbart
DE 4 325 573 C2 Wischerblätter zum Auftragen der Pulverschichten, die je nach Einsatzsituation ausgetauscht werden. Ferner offenbart
DE 10 2006 056422 B3 die Verwendung von drehbar gehaltenen Wischerblättern.
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Ein manueller Austausch des Beschichterwerkzeugs ist nachteilig für die Fertigung, da aufgrund von hohen Temperaturen im Fertigungsraum (z. B. größer 350 °C) beispielsweise die Gefahr einer Verletzung des Bedieners durch Verbrennungen besteht oder durch die Unterbrechung des Fertigungsprozesses ein Bauteilverzug eintreten kann. Entsprechend sind automatisierte und teilautomatisierte Wechselmechanismen bekannt, die jedoch zum Teil komplexe Austauschverfahren benötigen, wie sie beispielhaft in der
EP 3 168 033 A1 offenbart sind.
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Ferner sind Mechanismen bekannt, die den Vorgang des Pulverauftrags betreffen.
DE 20 2009 016 400 U1 offenbart beispielsweise eine anhebbare Pulverglättungsleiste. Ferner ist aus der
EP 2 732 889 A1 eine Fertigungsmaschine bekannt, bei der ein Pulverschieber um eine Achse gedreht in eine Ausgangsposition zurückgefahren werden kann, ohne das Pulverbett zu beeinflussen.
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Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, einen autonomen Wechsel von Auftragswerkzeugen in eine generative Fertigungsanlage zu integrieren. Eine weitere Aufgabe liegt darin ein zugehöriges Wechselsystem anzugeben, das im Fertigungsraum einer zuvor beschriebenen generativen Fertigungsanlage vorgesehen werden kann.
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Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein Verfahren zum Aufnehmen einer Werkzeugeinheit nach Anspruch 1, ein Verfahren zum Ablegen einer Werkzeugeinheit nach Anspruch 8 und durch eine Vorrichtung zur generativen Fertigung nach Anspruch 12. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einem Aspekt weist ein Verfahren zum Aufnehmen einer Werkzeugeinheit einer Vorrichtung zur generativen Fertigung in einem Werkzeughalter die nachfolgenden Schritte auf. Dabei weist die Vorrichtung zur generativen Fertigung einen Linearantrieb mit einem Grundkörper auf und der Werkzeughalter ist an dem Grundkörper um eine Rotationsachse rotierbar befestigt. Der Werkzeughalter ist ferner mit dem Grundkörper entlang einer Bewegungsachse des Linearantriebs in einem Fertigungsraum der Vorrichtung zur generativen Fertigung bewegbar. Die Vorrichtung zur generativen Fertigung weist ferner einen Werkzeugspeicher im Fertigungsraum auf, der mehrere Werkzeugplätze für Werkzeugeinheiten bereitstellt, wobei auf einem der Werkzeugplätze die aufzunehmende Werkzeugeinheit bereitgestellt ist. Dabei weist der Werkzeughalter eine Einspannvorrichtung auf, die einen entspannten Betriebszustand zum Aufnehmen und Herausnehmen der Werkzeugeinheit und einen gespannten Betriebszustand zum Fixieren der aufgenommenen Werkzeugeinheit aufweist. Die Schritte umfassen: ein Aktivieren des entspannten Betriebszustands des Werkzeughalters; ein Bewegen des Werkzeughalters zu dem Werkzeugplatz mit der bereitgestellten Werkzeugeinheit, indem eine Linearbewegung entlang der Bewegungsachse und eine Schwenkbewegung um die Rotationsachse durchgeführt werden; ein Aktivieren des gespannten Betriebszustands des Werkzeughalters und ein Herausheben der bereitgestellten Werkzeugeinheit aus dem Werkzeugplatz.
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In einigen Ausführungsformen fährt der Werkzeughalter als Schwenkarm mit einer die Linearbewegung und Schwenkbewegung überlagernden Bewegung drehend um die Rotationsachse an die Werkzeugeinheit heran, bis diese eine Anschlagfläche des Werkzeughalters berührt. Dabei wird insbesondere der Werkzeugplatz von unten angefahren (z. B. wenn die Werkzeugeinheit auf Stiften am Werkzeugplatz abgelegt ist).
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In einigen Ausführungsformen kann ein Aktivieren des gespannten Betriebszustands über einen Linearaktor des Werkzeughalters eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Fixierung der Werkzeugeinheit bewirken. Dabei können zur formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Fixierung Spannkeile der Werkzeughalterung durch Lösen einer Pneumatik federgespannt werden.
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In einigen Ausführungsformen kann eine exakte Lage der Werkzeugeinheit im Werkzeughalter durch einen Kraft- und Formschluss der Spannkeile und/oder einen Kraftschluss von mindestens einer Klinge gegen eine Anschlagfläche des Werkzeughalters erreicht werden.
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In einigen Ausführungsformen kann das Herausheben durch eine Fortsetzung der Schwenkbewegung ein Lösen der Werkzeugeinheit von Stiften des Werkzeugplatzes bewirken.
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In einigen Ausführungsformen kann der Werkzeughalter mit eingespannter Werkzeugeinheit aus dem Werkzeugspeicher in den Fertigungsraum bewegt werden.
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In einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zum Ablegen einer Werkzeugeinheit einer wie zuvor beschriebenen Vorrichtung zur generativen Fertigung in einen Werkzeugspeicher die folgenden Schritte auf: ein Bewegen des Werkzeughalters mit der eingespannten Werkzeugeinheit zu dem Werkzeugplatz, indem eine Linearbewegung entlang der Bewegungsachse und eine Schwenkbewegung um die Rotationsachse durchgeführt werden; ein Aktivieren des entspannten Betriebszustands des Werkzeughalters und ein Herausbewegen des Werkzeughalters ohne Werkzeugeinheit aus dem Werkzeugspeicher.
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Dabei kann der Werkzeughalter als Schwenkarm mit einer die Linearbewegung und Schwenkbewegung überlagernden Bewegung drehend um die Rotationsachse an den unbesetzten Werkzeugplatz heranfahren, bevorzugt bis die Werkzeugeinheit in Stifte des Werkzeugplatzes eingreift. Dabei kann der Werkzeugplatz insbesondere von oben angefahren werden.
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Ein Aktivieren des entspannten Betriebszustands kann über (mindestens) einen Linearaktor des Werkzeughalters eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Fixierung der Werkzeugeinheit lösen.
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In einem weiteren Aspekt weist eine Vorrichtung zur generativen Fertigung auf: ein Gehäuse, das einen Fertigungsraum für die generative Fertigung bereitstellt, einen im Fertigungsraum angeordneten Linearantrieb mit einem Grundkörper, der entlang einer Bewegungsachse des Linearantriebs im Fertigungsraum bewegbar ist, und einen Werkzeughalter zum Tragen einer Werkzeugeinheit. Der Werkzeughalter ist an dem Grundkörper um eine Rotationsachse rotierbar befestigt und wird mit dem Grundkörper entlang der Bewegungsachse des Linearantriebs mitbewegt. Der Werkzeughalter weist ferner eine Einspannvorrichtung auf, die einen entspannten Betriebszustand zum Aufnehmen und Herausnehmen der Werkzeugeinheit und einen gespannten Betriebszustand zum Fixieren der aufgenommenen Werkzeugeinheit aufweist. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Werkzeugspeicher, der im Fertigungsraum angeordnet ist und mehrere Werkzeugplätze für Werkzeugeinheiten bereitstellt, wobei mindestens einer der Werkzeugplätze unter Verwendung einer Linearbewegung entlang der Bewegungsachse und einer Schwenkbewegung um die Rotationsachse vom Werkzeughalter zum Aufnehmen oder zum Ablegen einer Werkzeugeinheit anfahrbar ist.
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In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung ferner eine Steuerungseinheit aufweisen, die zum Ausführen eines der zuvor beschriebenen Verfahren ausgebildet ist.
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In einigen Ausführungsformen kann mindestens eine der Werkzeugeinheiten eine Werkzeugaufnahme und ein in der Werkzeugaufnahme eingespanntes Auftragswerkzeug zur Pulverhandhabung umfassen. Ferner kann mindestens eine der Werkzeugeinheiten ein Spezialwerkzeug mit einer pneumatisch oder elektrisch betriebenen Rotations- und/oder Linear-Antriebsachse umfassen. So kann die Einspannvorrichtung des Werkzeughalters beispielsweise einen elektrischen und/oder pneumatischen Aktor und mindestens eine Druckfeder zur Einstellung der Betriebszustände aufweisen.
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Ferner kann mindestens einer der Werkzeugplätze Stifte zum Eingreifen in Aussparungen in der Werkzeugeinheit aufweisen.
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Die hierin offenbarten Ausführungsformen können u. a. folgende Vorteile aufweisen: Ein Werkzeugwechsel kann durch die Mitverwendung einer vorhandenen Maschinenachse autonom durchgeführt werden. Im Vergleich zu manuell durchgeführten Werkzeugwechseln kann ein automatisierter Wechsel sicherstellen, dass der Werkzeugwechsel so zeitnah und schnell stattfinden kann, dass es zu keinem Bauteilverzug durch die Unterbrechung des Bauprozesses kommt. Insbesondere ist ein Öffnen des Fertigungsraums nicht notwendig und die hier offenbarten Konzepte sind bei hohen Bauplattformtemperaturen einsetzbar. Allgemein sind die hier offenbarten Konzepte mit einer kostengünstigen und bauraumsparenden Ausführung von Mechanik und Sensorik umsetzbar. So benötigen die hierin offenbarten Konzepte keinen zusätzlichen Bauraum unterhalb der Bauplattform, schränken den Bauraum nicht unnötig ein und vermeiden damit Baukosten.
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Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische räumliche Darstellung einer beispielhaften generativen Fertigungsvorrichtung,
- 2 eine schematische Schnittansicht der generativen Fertigungsvorrichtung aus 1 parallel zur XY-Ebene durch den Fertigungsraum,
- 3 eine schematische Schnittansicht der generativen Fertigungsvorrichtung aus 1 parallel zur XZ-Ebene durch den Fertigungsraum wie in 2 angedeutet,
- 4A und 4B Seitenansichten eines beispielhaften Werkzeughalters mit einem Auftragswerkzeug teilweise in Schnittdarstellung und
- 5 schematische Abbildungen a) bis j) zur Verdeutlichung eines Werkzeugaustauschvorgangs.
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Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass eine ohnehin vorhandene Drehachse in einem Werkzeugaustauschvorgang eingesetzt werden kann, bei dem eine Werkzeugeinheit mit einem Auftragswerkzeug in einem Magazin abgeladen und eine neue Werkzeugeinheit aufgenommen wird.
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Dabei wurde ferner erkannt, dass mit dem hierin vorgeschlagenen Werkzeugwechselkonzept neben reinen Auftragswerkzeugeinheiten Spezialwerkzeugeinheiten eingewechselt werden können. Allgemein kann der hierin vorgeschlagene Werkzeugwechsler eine Vielzahl unterschiedlicher Werkzeugeinheiten einwechseln. Beispielhafte Werkzeugeinheiten umfassen Auftragswerkzeuge mit z. B. Kohlefaserbürste oder X-förmiger Lippe und Spezialwerkzeuge wie z. B. Reinigungswerkzeuge mit Bürste für eine Endreinigung der Prozesskammergrundfläche, Werkzeuge zum Auffüllen eines Spalts zwischen Arbeitskolben und Arbeitszylinder mit Metallpulver und Reparaturwerkzeuge zum Entfernen von Schweißspritzern (z. B. ein Werkzeug mit Schleifwelle).
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In Zusammenhang mit den 1 bis 3 wird allgemein eine generative Fertigungsvorrichtung beschrieben. Anschließend werden in Zusammenhang mit den 4A, 4B und 5 eine beispielhafte Werkzeughalterung und ein Werkzeugaustauschvorgang beschrieben.
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Die
1 bis
3 zeigen eine beispielhafte generative Fertigungsvorrichtung
1 zur additiven Erzeugung eines dreidimensionalen Bauteils
3 aus einem pulverförmigen Material (allgemein Pulver
5) in einer perspektivischen Ansicht sowie in schematischen Schnittansichten. Zum Fertigungsvorgang wird auf die eingangs erwähnte
EP 2 732 890 A2 verwiesen.
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Die Fertigungsvorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 7, das einen Fertigungsraum 9 bereitstellt. Über eine Tür 11A in einer Vorderwand 11 besteht Zugang zum Fertigungsraum 9. Das Gehäuse 7 umfasst ferner ein Schutzgasabsaugsystem mit z. B. Auslassöffnungen 13A zum Fluten des Fertigungsraums 9 mit inertem Gas, sowie Absaugöffnungen 13B. Ein beispielsweise oberhalb des Gehäuses angebrachtes Bestrahlungssystem 15 ist zur Erzeugung von beispielsweise Laserlicht, welches das Pulver 5 zu Materialschichten eines 3D-Bauteils 3 verschmilzt, ausgebildet.
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Der Fertigungsvorgang findet auf einer Arbeitsfläche 27 statt, die den Boden des Fertigungsraums 9 bildet und einen Plattformbereich 17A, einen Vorratsbereich 25A und optional einen Pulversammelbereich 29A aufweist. Der Fertigungsvorgang erfolgt auf einer Bauplattform 17, die im Plattformbereich 17A z. B. zentral vor der Tür 11A angeordnet ist. Die Bauplattform 17 liegt auf einem Träger 19 auf, der in einem Bauzylinder 21 in der Höhe (in 3 in ±Z-Richtung) verfahren werden kann. Der Vorratsbereich 25A dient der Bereitstellung von frischem Pulver 5A, das zur lagenweisen Herstellung des 3D-Bauteils 3 in den Bauplattformbereich 23A mit einem Auftragswerkzeug 23 übertragen wird. Bezüglich einer beispielhaften Ausbildung eines Auftragswerkzeugs wird auf die 4A und 4B verwiesen.
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Auf der Bauplattform 17 wird ein mit beispielsweise metallischem oder keramischem Pulver gefülltes Pulverbett zur Bestrahlung mit dem Laserlicht von oben vorbereitet. Wie in den 1 bis 3 gezeigt wird, dient das Auftragswerkzeug 23 zum Verteilen des Pulvers 5 in X-Richtung während des Herstellungsprozesses. Während des Beschichtens streicht ein unterer Bereich des Auftragswerkzeugs 23 über die Arbeitsfläche 27, nimmt Pulver mit und befüllt dadurch Bereiche, die z. B. bzgl. der Arbeitsfläche abgesenkt sind. In diesen Bereichen definiert der untere Bereich des Auftragswerkzeugs 23 das Niveau der Pulveroberfläche. Bei der beschriebenen Auftragsmethode werden als Auftragswerkzeugs zum Verteilen des Pulvers beispielsweise Bürsten, Klingen aus Stahl oder Keramik sowie elastische Lippen aus Elastomeren verwendet. Das heißt, der untere Bereich des Auftragswerkzeugs 23 kann beispielsweise als Klinge, Kohlefaserbürste, X-förmige Gummilippe oder auch als Spaltfüllbürste ausgebildet sein. Das Niveau der Pulveroberfläche insbesondere innerhalb des Bauzylinders 21 entspricht der Oberfläche des Pulverbettes im Fertigungsprozess und der zuletzt aufgetragenen Schicht während des Fertigungsvorgangs. Das Niveau wird durch die untere Begrenzung des Auftragswerkzeugs 23 definiert und liegt üblicherweise im Wesentlichen auf der Höhe der Arbeitsfläche 27.
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Zusammenfassend wird im Beschichtungsvorgang frisches Pulver 5A, das in einem im Vorratsbereich 25A vorgesehenen Vorratszylinder 25 bereitgestellt wird, mit dem Auftragswerkzeug 23 über die Arbeitsfläche 27 in den Plattformbereich 17A verschoben, wo es im Bereich der abgesenkten Bauplattform 17 verteilt wird und entsprechend eine neue Oberflächenschicht ausbildet. Nicht benötigtes Pulver wird beispielsweise in einen Sammelzylinder 29 geschoben, der im Pulversammelbereich 29A vorgesehenen ist. In einigen Beschichtungsverfahren und Zwischenschritten kann ferner ein Entschichten vorgenommen werden. Beim Entschichten kann das Auftragswerkzeug 23 eine Schicht Pulver von der zuvor angehobenen Bauplattform durch Darüberstreichen entfernen und analog eine frische Oberfläche ausbilden.
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Wie in den 1 bis 3 beispielhaft gezeigt wird, sind der Vorratsbereich 25A, der Plattformbereich 17A und der Pulversammelbereich 29A nebeneinander in X-Richtung versetzt angeordnet und das Auftragswerkzeug 23 ist entsprechend in X-Richtung linear verschiebbar.
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Für eine lineare Verschiebung des Auftragswerkzeugs 23 in X-Richtung umfasst die Fertigungsvorrichtung 1 einen Linearantrieb 31 im hinteren Teil des Gehäuses 7. Der Linearantrieb 31 basiert beispielsweise auf einer Kugelumlaufführung oder einem Riementrieb für eine lineare Hin- und Herbewegung eines Grundkörpers 31A, an dem ein Werkzeughalter 33 über eine drehbar gelagerte Hohlwelle (nicht explizit gezeigt) angebracht ist. An einem unteren Ende des Werkzeughalters 33 ist das Auftragswerkzeug 23 befestigt. In den 1 bis 3 ist beispielhaft eine Rotationsachse R1 der Hohlwelle angedeutet. Die Hohlwelle/Rotationsachse R1 ragt in den Fertigungsraum 9 und wird in dem hierin beispielhaft beschriebenen Werkzeugwechselkonzept eingesetzt. Der hintere Teil des Gehäuses mit dem Linearantrieb 31 und der Fertigungsraum 9 sind voneinander getrennt, wobei ein schmaler Schlitz von einem beweglich gelagerten Metall- oder Textilband 35 abgedeckt wird, das in 3 schematisch angedeutet ist.
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Ferner weist die Fertigungsvorrichtung 1 einen Werkzeugspeicher 37 sowie optional eine Kamera (nicht gezeigt) auf. Der Werkzeugspeicher 37 stellt Werkzeugeinheiten für den Werkzeugaustausch bereit. Die Kamera ist insbesondere auf den Plattformbereich 17A ausgerichtet und kann Bilddaten der Oberfläche des Pulverbetts zur Auswertung der Qualität der Pulveroberfläche bereitstellen.
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Zusammenfassend umfasst der Fertigungsvorgang ein wiederholtes Absenken der Bauplattform 17 im Bauzylinder 21, ein Aufbauen einer frischen Pulverschicht auf der Bauplattform 17 und ein Verschmelzen der Pulverschicht in dem Bereich, in dem das 3D-Bauteil 3 entstehen soll. 3 zeigt das teilweise fertiggestellte 3D-Bauteil 3, das in nicht verschmolzenem Pulver 5 eingebettet ist. Üblicherweise findet die Fertigung bei erhöhten Temperaturen statt, die durch ein Heizsystem zum Erwärmen des Pulvers und durch den Verschweißprozess im Bereich von 300 °C und mehr liegen können.
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Wie eingangs erwähnt wurde, ist eine definierte Oberfläche des Pulverbetts gewünscht (beispielsweise eine horizontale, präzise ausgerichtete, plane Ausrichtung einer Pulveroberfläche).
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Dies wird mit dem entsprechend ausgerichteten Auftragswerkzeug 23 erreicht. Üblicherweise wird vor dem Auftragen der neuen Pulverschicht die Bauplattform der Baukammer um eine Schichtdicke (sogenanntes Z-Inkrement) abgesenkt, so dass das Auftragswerkzeug 23 über die zuvor beschichtete Pulverschicht zurückbewegt werden kann, um erneut frisches Pulver 5A aus dem Vorrat für eine neue Pulverschicht auf der Bauplattform 17 zu verteilen. Hierbei kann die zuvor beschichtete Fläche etwas abgesenkt werden, damit die Pulverschicht nicht verletzt wird. Für die Bearbeitung wird die Bauplattform 17 dann wieder auf die Ausgangslage zurückbewegt.
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Alternativ kann statt des Absenkens der Bauplattform 17 das Auftragswerkzeug 23 um einen höher liegenden Drehpunkt verschwenkt werden, sodass es auf der Rückfahrt zum Pulvervorrat vom Pulverbett abgehoben ist. Dies erfolgt beispielhaft mit der Hohlwelle über ein Hochschwenken des Auftragswerkzeugs 23 um die Rotationsachse R1. Entsprechend muss die Bauplattform 17 vor der Rückfahrt der Auftragseinheit nicht abgesenkt werden, was die Lebensdauer der Kolbendichtungen verbessert und den Gesamtablauf beschleunigt.
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Die Rotationsachse R1 verläuft entlang des oberen Endes des Werkzeughalters 33, sodass das Auftragswerkzeug 23 drehbar gelagert ist. Ein Servo-Getriebemotor 32 mit elektromagnetischer Bremse kann am Grundkörper 31A vorgesehen werden. Die drehbar gelagerte Welle ist an ihrem hinteren Ende über ein Zahnradpaar mit dem Servo-Getriebemotor 32 verbunden. Am vorderen Ende der Welle ist der Werkzeughalter 33 befestigt. Der Servo-Getriebemotor 32 kann eine kontrolliert durchführbare Schwenkbewegung des Auftragswerkzeugs 23 um die Rotationsachse R1 bewirken. Er erlaubt insbesondere eine Drehung des Auftragswerkzeugs 23 um die Rotationsachse R1 innerhalb eines Winkelbereichs oder sogar eine freie Positionierung um 360°. Beispielsweise liegt die Rotationsachse R1 auf der linearen Bewegungsachse L der Kugelumlaufführung (oder z. B. der Riemenführung).
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Jedoch kann während des Fertigungsvorgangs eine Beschädigung des Auftragswerkzeugs 23, insbesondere der mit dem Pulver wechselwirkenden Werkzeugkante, erfolgen. Dies passiert z. B. aufgrund von während der Fertigung unbeabsichtigt aufwachsenden Störkonturen, scharfen Metallspritzern oder ähnlichem. Dieser Werkzeugverschleiß kann über eine Dunkelfeldbeleuchtung und eine Bildverarbeitung beispielsweise mit der Kamera detektiert werden. Die Notwendigkeit eines Werkzeugwechsels kann so einem Bediener signalisiert werden und die Werkzeugeinheit kann ausgetauscht werden, bevor eine fehlerhafte Beschichtung eintritt, sodass allgemein der Ausschuss von unbrauchbar erzeugten Bauteilen reduziert wird. Ferner kann routinemäßig ein Austausch nach vorbestimmten Zeitintervallen vorgenommen werden.
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Um die Qualität des Bauteils nicht zu gefährden, wird der Werkzeugwechsel bevorzugt direkt nach dem Erkennen eines Verschleißes des Auftragswerkzeugs 23 durchgeführt. Wie eingangs erwähnt wurde, kann ein manueller Austausch ungeplant Verzögerungen bewirken, die in Verbindung mit einem maschinenseitig ausgelösten Achs-Stopp die Gefahr eines thermischen Verzugs des bereits hergestellten Teils des Werkstücks bergen. Es kann eine sichtbare Fehlstelle in der Lage im Werkstück entstehen, die der Bearbeitungspause beim Werkzeugwechsel entspricht. Kritisch ist dies besonders bei einem beheizten Fertigungsraum, da hier meist der Abkühlgradient stärker als bei einem nicht beheizten Fertigungsraum ist.
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Nachfolgend wird in Zusammenhang mit den 4 bis 6 ein Konzept zum schnellen Wechsel eines Bearbeitungswerkzeugs wie z. B. eines Auftragswerkzeugs zur Ausbildung der Oberflächenschicht offenbart. Dieses erlaubt es, neben Auftragswerkzeugen auch Spezialwerkzeuge automatisiert aufzuspannen, die im Werkzeugspeicher 37 innerhalb des Fertigungsraums 9 bereitgestellt werden.
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Der Werkzeugwechsel wird von einer Steuerungseinheit 39 angesteuert. Die Steuerungseinheit 39 kann Teil des Steuerungssystems der Fertigungsvorrichtung 1 sein oder als unabhängige Einheit spezifisch für den Werkzeugwechsel vorgesehen werden. In 3 ist die Steuerungseinheit 39 schematisch gestrichelt angedeutet und über Datenverbindungen 41 mit dem Werkzeughalter 33 und der Werkzeugspeichereinheit 37 verbunden.
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Das zugrundeliegende System für den Werkzeugwechsel ist dabei derart ausgebildet, dass der Austausch bei geschlossenem Fertigungsraum 9 vorgenommen werden kann. Es basiert auf der Kombination einer Rotationsbewegung einer Werkzeugeinheit um die Rotationsachse R1 und einer Linearbewegung mit Hilfe des Linearantriebs 31 entlang der Bewegungsachse L.
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Für den nachfolgend erläuterten automatisierten Werkzeugwechsel wird die bereits angesprochene Anordnung des Auftragswerkzeugs 23 genutzt, bei der das Auftragswerkzeug 23 über den als Schwenkarm wirkenden Werkzeughalter 33 beispielsweise nahe der oder an der linearen Bewegungsachse L des Linearantriebs 31 drehbar gelagert ist.
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Die 4A und 4B zeigen den Werkzeughalter 33 mit einer Werkzeugaufnahme 43, in die ein Auftragswerkzeug 23 eingespannt ist. Die Werkzeugaufnahme 43 und das Auftragswerkzeug 23 stellen eine austauschbare Werkzeugeinheit 45 (auch als Werkzeug bezeichnet) dar. Man erkennt in 4A ein teilweise im Schnitt gezeigtes Trägerelement 46 mit einem Achsaufnahmeabschnitt 46A zum Aufnehmen der Hohlwelle und einem Schwenkabschnitt 46B, an dem die Werkzeugeinheit 45 befestigt ist. In 4A ist die Rotationsachse R1 im Achsaufnahmeabschnitt 46A angedeutet.
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Der Werkzeughalter 33 weist ferner einen oder mehrere, beispielsweise zwei, Linearaktoren 47 auf, die am Schwenkelementabschnitt 46B mit Schrauben 48 befestigt sind. In Zusammenspiel mit einer Spannvorrichtung erlaubt es der Linearaktor 47/die Linearaktoren z. B. zwei verschiebbare Spannkeile 49 der Spannvorrichtung zu fixieren oder zu lösen. Die Spannkeile 49 sind nebeneinander am entfernten Ende des Schwenkelementabschnitts 46B angeordnet und an Führungswellen 51 angeschraubt. Die Führungswellen 51 erstrecken sich durch Gleitlager 53 im Schwenkelement 46B und können von dem Linearaktor 47/den Linearaktoren verschoben werden (Doppelpfeil 55). Auf jeden Spannkeil 49 wirkt eine Spannkraft über beispielsweise zwei symmetrisch neben dem jeweiligen Spannkeil angeordnete Druckfedern 57. Der Spannkraft der Druckfedern 57 wirkt der pneumatisch oder elektromotorisch angesteuerte Linearaktor 47/die Linearaktoren entgegen. Der oder die Linearaktoren 47 sind entsprechend dazu ausgebildet, dass der Werkzeughalter 33 eine Werkzeugeinheit 45 aus dem Werkzeugspeicher 37 formschlüssig sowie kraftschlüssig aufnehmen kann.
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Die in den 4A und 4B gezeigte Werkzeugeinheit 45 ist eine passive Werkzeugeinheit, die beispielhaft eine Klinge oder Bürste als Auftragswerkzeug 23 zum Auftragen und Verteilen von Pulver aufweist. In weiteren Ausführungsformen können aktive Werkzeugeinheiten, wie z. B. ein Fräswerkzeug oder eine Schleifwelle, von der Werkzeughalterung 33 aufgenommen werden. Beispielsweise können rotierende Werkzeugeinheiten zur Beseitigung der zuvor genannten Störkonturen - wie scharfkantige Metallspritzer - genutzt werden, die im Fertigungsprozess unbeabsichtigt aufwachsen können. Zum Betreiben von aktiven Werkzeugeinheiten kann der Werkzeughalter 33 z. B. eine Schnittstelle zur Übertragung einer Kleinspannung bis beispielsweise 40V aufweisen. Ferner kann ein elektrischer Antrieb beispielsweise in der Hohlwelle des rotierenden Werkzeugs angeordnet werden.
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Bevorzugt weisen die jeweiligen Werkzeugeinheiten Werkzeugaufnahmen 43 auf, die Merkmale zur lagerichtigen Orientierung des Werkzeugs, insbesondere des Auftragswerkzeugs 23, im Werkzeughalter 33 bereitstellen.
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Dazu ist jede Werkzeugaufnahme 43 mit beispielsweise zwei oder mehr harten Klingen 59 ausgestattet, die im Zusammenspiel mit einer (oder jeweils einer) harten Anschlagfläche 61 des Werkzeughalters 33 eine lagerichtige Indexierung (im Wesentlichen eine gewünschte Ausrichtung) der Werkzeugeinheit 45 bzgl. des Werkzeughalters 33 bewirken. Ein Klingenspannmechanismus 59A, der eine entsprechende präzise Justage, insbesondere querkraftfreie Klemmung, der Klingen 59 ermöglicht, ist in 4B angedeutet. Dabei indexieren die harten Klingen 59 die Aufnahmeeinheit kraftschlüssig an der Anschlagfläche als Bezugsfläche der Werkzeugaufnahme 43. Beispielsweise dienen die harten Klingen als Endanschlag in Z-Richtung. Unter der harten Gegenfläche können sich ein oder mehrere dünne austauschbare Präzisionsbleche befinden, die beim Einjustieren der Ausrichtung/Geradheit ergänzt bzw. entfernt werden können. Die Klinge kann dabei als scharfer und harter Keil ausgeführt werden oder es kann eine ähnliche Geometrie mit möglichst geringer Gesichtsfläche gewählt werden.
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Die Werkzeugaufnahme 43 ist bevorzugt zweischalig aufgebaut. Beispielhaft bilden zwei Klemmbacken 63A, 63B einen C-förmigen Rahmen mit einer Aussparung 65, in die die Spannkeile 49 eingreifen. Dies lässt eine kraftschlüssige Fixierung der Werkzeugaufnahme 43, und damit des Auftragswerkzeugs 23, an der Werkzeughalterung 33 zu.
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Zur Befestigung des Auftragswerkzeugs 23 weist die Werkzeugaufnahme 43 eine Negativform des Auftragswerkzeugs 23, beispielsweise eine Negativform eines Keils, auf. Das Auftragswerkzeug 23 wird über einen Kraft- und Formschluss in die Werkzeugaufnahme 43 geklemmt. In 4A werden die Klemmbacken 61A, 61B beispielsweise verschraubt. Dabei ist es wichtig, dass eine Bezugslage des Auftragswerkzeugs 23 in der Fertigungsvorrichtung 1 durch eine entsprechend korrekte Montage des Auftragswerkzeugs 23 sichergestellt wird, wie sie beispielhaft nachfolgend erläutert wird.
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So kann die Werkzeugaufnahme 43 in eine Vorrichtung eingelegt und aufgespannt werden, die funktional ähnlich dem Werkzeughalter 33 ausgebildet ist. Beispielsweise weist die Vorrichtung Indexierungsmerkmale (z. B. die beschriebenen Keile) zum Eingreifen in die Werkzeugaufnahme und entsprechende Aktoren zum formschlüssigen sowie kraftschlüssigen Halten der Werkzeugaufnahme 43 auf. Die Vorrichtung verfügt ebenfalls über Klemmkeile und eine Spannvorrichtung. Dabei indexieren diese die Aufnahmeeinheit kraftschlüssig an einer Stirnfläche der Vorrichtung und formschlüssig gegen die Bezugsfläche der Vorrichtung. Der formschlüssige Bezug wird z. B. zwischen den beiden scharfen, gehärteten Klingen 59 sowie einer gehärteten Stirnfläche hergestellt.
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Bei der beispielhaft gezeigten Werkzeugaufnahme 43 wurde das Auftragswerkzeug 23 in die offene Werkzeugaufnahme 43, hier die zugängliche Negativform, eingelegt. Dabei wird es bündig auf eine Bezugsebene der Vorrichtung ausgerichtet und beispielsweise gegen den unteren Schenkel des C-förmigen Rahmens angelegt. Es folgt das kraftschlüssige Verbinden des Auftragswerkzeugs 23, z. B. über Schrauben 62, in der Werkzeugaufnahme, wo es eingepresst gehalten wird. Die Fixierung in der Vorrichtung kann nun gelöst und die Werkzeugeinheit 45 mit ausgerichtetem Auftragswerkzeug entnommen werden. Dabei ist beispielsweise die Werkzeugunterkante des Auftragswerkzeugs 23 exakt parallel zu der Fläche am oberen Ende der Werkzeugaufnahme 43, die durch die Schneiden der beiden Klingen gebildet wird, ausgerichtet. Dieses Vorgehen wird mit allen Werkzeugeinheiten wiederholt, die im Werkzeugspeicher 37 gerüstet werden sollen. Die zugrundeliegende Vorrichtung kann beispielsweise der Fertigungsvorrichtung 1 zugeordnet oder als separates Betriebsmittel genutzt werden.
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Das beschriebene Vorgehen garantiert, dass die Werkzeugkanten aller gerüsteten Werkzeuge denselben Bezug relativ zu der Anschlagfläche des Werkzeughalters haben. Ein Einwechseln eines neuen Auftragswerkzeugs 23 kann so sicher bezüglich einer festgelegten Referenzebene erfolgen.
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Für den Werkzeugaustausch kann, wie beispielhaft in 2 und 5 gezeigt wird, der Werkzeugspeicher 37 an einer Innenwand des Fertigungsraums 9 im Bereich des Pulversammelbereichs 29A vorgesehen werden. Der Werkzeugspeicher 37 ist in den Abbildungen der 5 beispielhaft in Form einer Halbschale ausgeführt, die sich z. B. um einen Mittelpunkt R2 erstreckt. Auf dieser Halbschale werden an mehreren Werkzeugplätzen 69 z. B. weitere Wechselwerkzeugeinheiten 45 mit Auftragswerkzeugen 23 oder Spezialwerkzeugen gerüstet, wie die bereits erwähnten Spezialwerkzeuge zum Reinigen der Prozesskammer, zum erstmaligen Füllen von Spalten zwischen Bauplattform 17 und Bauzylinder 21 (mit Pulver) sowie zum Beseitigen der im Prozess unbeabsichtigt aufwachsenden Störkonturen sowie scharfen Metallspritzern. In einigen Ausführungsformen kann die Halbschale um den Mittelpunkt R2 drehbar ausgeführt werden. Jedoch ist eine drehbare Halbschale insbesondere dann nicht notwendig, wenn eine ausreichend weite Winkelbewegung der Drehachse des Werkzeughalters 33 bereitgestellt wird, die es erlaubt, jeden der Werkzeugplätze 69 anzufahren, ohne dass es z. B. einer weiteren Rotationsbewegung der Halbschale bedarf.
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Der zur Verfügung stehende Platz reicht dabei z. B. für das Rüsten von mehreren Werkzeugeinheiten 45 aus. In 5 sind beispielhaft sechs Werkzeugeinheiten 45 gezeigt. Jeder Werkzeugplatz 69 verfügt über eine Auflagefläche sowie über zwei (Indexier-)Stifte, die in zugehörige Aufnahmen 71 (siehe 4B) in den Klemmbacken 63A, 63B eingreifen können, um die Lage der gerüsteten Werkzeugeinheit 45 im Raum zu definieren. Wurde eine der sechs Werkzeugeinheiten 45 montiert, stehen im Werkzeughalter 33 somit fünf weitere Wechselwerkzeugplätze und ein Leerplatz zum Ablegen der bereits indexierten Werkzeugeinheit zur Verfügung.
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Statt der halbschalenförmigen Anordnung des Werkzeugspeichers könnte alternativ eine Kettenspeicher-Konfiguration (Paternoster-System-artig) oder eine Bevorratung auf einem beispielsweise vertikalen Linearschlitten genutzt werden.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Wechselvorgang durch eine kombinierte Bewegung entlang der Vorschubachse (Bewegungsachse L) der Auftragseinheit sowie um die Schwenkachse (Rotationsachse R1) durchzuführen. Beispielsweise werden die Bewegungen entlang der Vorschubachse und um die Schwenkachse durch eine überlagerte NC-Ansteuerung angesteuert. Die Bewegung wird dabei teilweise simultan ausgeführt, sodass es zu keiner Kollision zwischen Werkzeughalter 33 und Werkzeugeinheit 45 bzw. Werkzeugaufnahme 23 kommen kann.
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Das Aufnehmen eines Werkzeuges wird nachfolgend mit Bezug zu den Abbildungen a) bis j) der 5 beschrieben, wobei der Werkzeughalter 33 frei sein muss. Entsprechend ging dem Aufnehmen z. B. voraus, dass zuvor ein freier Werkzeugplatz im Werkzeugspeicher 37 angefahren und dort eine nicht mehr benötigte bzw. verschlissene Werkzeugeinheit 45A abgelegt worden war (nicht gezeigt). Ein derartiger Ablagevorgang entspricht im Wesentlichen dem umgekehrten Aufnahmevorgang, wie er nachfolgend beschrieben wird.
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Für das Aufnehmen einer (frischen) Werkzeugeinheit 45B werden zunächst die Indexier-Spannkeile 49 z. B. pneumatisch entspannt (Abbildung A)). Zum Aufnehmen der Werkzeugeinheit 45B wird diese von unten angefahren und aus der Ruheposition herausgehoben. Der Werkzeughalter 33 fährt dazu als Schwenkarm mit einer überlagerten Bewegung linksdrehend um die Rotationsachse R1 an die Werkzeugeinheit 45B heran, bis diese die Stirnfläche des Werkzeughalters 33 berührt (Abbildungen b) bis e)). Anschließend erfolgt über den Linearaktor 47/die Linearaktoren des Werkzeughalters 33 eine formschlüssige sowie kraftschlüssige Fixierung der Werkzeugeinheit 45B, indem die Spannkeile der Indexierung durch Lösen der Pneumatik federgespannt werden (Abbildung e)). Die exakte Lage der Werkzeugeinheit im Werkzeughalter 33 wird durch den Kraft- und Formschluss der Spannkeile 49 sowie den Kraftschluss der beiden Klingen 59 gegen die Bezugsfläche des Werkzeughalters 33 erreicht. Durch eine weitere Linksdrehung wird die indexierte Werkzeugeinheit aus dem Werkzeugspeicher 37 freigedreht (Abbildungen f) und g)) und durch eine überlagerte Bewegung aus dem Werkzeugspeicher 37 in den Fertigungsraum 9 gefahren (Abbildungen h) und i)). Dort kann sie beispielsweise um die Rotationsachse R1 derart eingestellt werden, dass die Werkzeugunterkante des Auftragswerkzeugs 23 knapp oberhalb der Arbeitsfläche 27 liegt (Abbildung j)).
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Ein Ablegen einer Werkzeugeinheit erfolgt im beschriebenen Beispiel mit einer Rechtsdrehung, das Aufnehmen einer neuen Werkzeugeinheit erfolgt wie beschrieben mit einer Linksdrehung der Werkzeughalterung 33.
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In der angesprochenen Verwendung eines z. B. vertikalen Linearschlittens zur Bereitstellung von Werkzeugplätzen kann die Ausrichtung des Werkzeughalters 33 über die Rotationsachse R1 in die Horizontale erfolgen, wobei dann der Linearschlitten von oben an einen Werkzeugplatz heranfährt, aus dem eine Werkzeugeinheit 45 entnommen und auf dem Werkzeughalter 33 abgelegt oder in den eine Werkzeugeinheit 45 abgelegt wird.
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In einigen Ausführungsformen kann der Linearantrieb 31, und damit der Werkzeughalter 33, zusätzlich in seiner Höhe bezüglich der Arbeitsfläche 27 verändert werden, so dass die Bewegung zur Ausgangslage des Auftragswerkzeugs über dem Vorratszylinder 25 beispielsweise in einer angehobenen Stellung des Linearantriebs 31 erfolgen kann.
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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 jede mögliche Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2732890 A2 [0002, 0026]
- DE 4325573 C2 [0003]
- DE 102006056422 B3 [0003]
- EP 3168033 A1 [0004]
- DE 202009016400 U1 [0005]
- EP 2732889 A1 [0005]
