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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen
eines dreidimensionalen Objektes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches
1 und 7.
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Ein
Verfahren bzw. eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches
1 bzw. 7 ist aus der
DE
19929199 A1 bekannt.
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Stand
der Technik ist ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen
Objektes durch schichtweises Verfestigen eines mittels elektromagnetischer
Strahlung oder Teilchenstrahlung aushärtbaren, flüssigen Kunststoffmaterials
am jeweiligen Querschnitt des Objektes, durch Verwendung einer elektronisch
angesteuerten Maskenerzeugungseinrichtung zum selektiven Projizieren
der intensitätsgesteuerten
Strahlung auf die Oberfläche
des Materials. Das Verfahren wird als Mikro-Photoverfestigung bezeichnet.
Die dabei zum Einsatz kommende Vorrichtung, weist an der über dem
Material befindlichen transparenten Platte, z.B. Glasmaterial, durch
welche die Belichtung des Materials erfolgt eine Antihaftschicht
auf, die ein Anhaften des ausgehärteten
Materials an dieser Platte verhindern soll. Die Funktionalität dieser
Schicht erlaubt aber nur das Fertigen von Objekten eingeschränkter Komplexität bzw. das
Fertigen von Objekten kleiner Dimensionen. Komplexe Objekte mit
starken Querschnittsunterschieden und Überhängen sowie größere Objektdimensionsbereiche
sind bisher nicht herstellbar.
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Darüber hinaus
sind mit dem Stand der Technik nur gleichmäßige Schichtdicken realisierbar.
Bei der Prozessvorbereitung für
schichtenbasierende Verfahren ist durch den Bediener der Vorrichtung
ein Optimum zwischen Bauzeit und Detaillierungsgrad zu finden. Eine
große
Schichtdicke (z.B. 0,2 mm) steht für eine schnelle Bauzeit aber
eine eingeschränkte
Qualität
(Stufenproblem der Schichtenverfahren wird spürbar) und eine kleine Schichtdicke (z.B.
0,05 mm) verursacht hingegen eine lange Bauzeit aber eine hohe Qualität. Die Entscheidung
ist oft ein durch den Bediener der Vorrichtung zu treffender Kompromiss.
Die Komplexität
der zu fertigenden Objekte nimmt auf diese Entscheidung den größten Einfluss.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum
Herstellen eines dreidimensionalen Objektes bereitzustellen, mit
dem Ziel:
- • eine
höhere
Objektqualität,
- • eine
Erweiterung des Dimensionsbereiches herstellbarer Objekte,
- • eine
Anpassung an unterschiedliche Objektgrößen und
- • eine
höhere
Produktivität
durch
eine verbesserte Funktionalität
der Gesamtvorrichtung zu realisieren.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des 1. und 7. Patentanspruches gelöst. Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die
Vorteile der Erfindung betreffen im Wesentlichen die Möglichkeit
der Nutzung variabler Schichtdicken zur Objektfertigung (Bauzeiteinsparung
ohne Qualitätsminderung)
und das Ersetzen der Antihaftbeschichtung der Glasplatte durch ein
weiteres steuerbares Bauteil, was zu einer deutlichen Verbesserung
des Ablöseverhaltens
anhaftenden Materials führt
(Erweiterung des Spektrums an fertigbaren Bauteilen sowohl in der
Komplexität
als auch in der Dimension). Objekte mit sehr unterschiedlichen Komplexitäten werden
in weniger detailhaltigen Objektbereichen mit großen Schichtdicken
und in detaillierten Objektbereichen mit kleinen Schichtdicken gefertigt.
Es lässt
sich also die Bauzeit als auch die Qualität ohne Einschränkungen
verbessern. Bedeutende Optimierungen hinsichtlich der Bauzeit bei gleichbleibender
Qualität
bzw. der. Qualitätsverbesserung
bei gleichbleibender Bauzeit, sind bei Anwendung der variablen Schichtdicken
für Objekte
mit sehr vielen Schichten (Körper
mit großen
Abmessungen in z-Richtung) und großen Unterschieden in der Komplexität zu errei chen.
Dies alles ist aber nur durch das Hinzukommen eines weiteren Bauteils
in der Vorrichtung, einer von der transparenten Platte getrennten biegsamen
Schicht, die die Funktionalität
der bisherigen Antihaftbeschichtung auf der Glasplatte deutlich übertrifft,
zu erreichen. Damit ist die Fertigung komplexerer und größerer Objekte
in der Vorrichtung möglich.
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Es
folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung
anhand von
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1 schematische
Querschnittsdarstellung der Vorrichtung;
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2 vergrößerter Ausschnitt
der Querschnittsdarstellung der Vorrichtung;
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3 Funktionsweise
der Anwendung variabler Schichtdicken für die Herstellung von Objekten; und
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4 Maskentechnik
zur Objekterzeugung.
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Die
im Rahmen der Erfindung entwickelte Vorrichtung dient der Herstellung
eines dreidimensionalen Objektes durch den schichtweisen generativen Aufbau
von Querschnitten dieses Objektes, wobei die Dicke der Schichten
unterschiedlich sein kann.
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Die
in 1 und 2 dargestellte Vorrichtung 1 weist
einen an der Oberseite offenen Behälter 2 mit einem oberen
Rand 3 auf. In dem Behälter
ist ein Träger 4 zum
Tragen eines zu bildenden Objektes 5 mit einer im wesentlichen
ebenen und horizontal ausgerichteten Bauplattform 6 angeordnet,
die mittels einer Höheneinstellvorrichtung 7 in
dem Behälter 2 vertikal
verschoben und positioniert werden kann. Die Bauplattform 6 weist
eine rechteckige Querschnittsform auf.
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Der
gesamte Behälter 2 ist
bis zu einem Höhenniveau
unterhalb des oberen Randes 3 mit einem lichtaushärtbaren
flüssigen
Kunststoff 8 gefüllt.
In einem vorbestimmten Abstand unterhalb des oberen Randes 3 des
Behälters 2 ist
eine transparente Platte 9 aus einem für elektromagnetische oder Teilchenstrahlung,
wie z.B. Licht, durchgängigem
Material, beispielsweise Glas, vorgesehen, die über eine Halterung 10 derart
in der Vorrichtung befestigt ist, dass sie in den mit Material 8 gefüllten Behälter um
ein vorbestimmtes Maß in
das Material eintaucht. Die Halterung 10 ist mittels einer
Klemmvorrichtung über
dem Behälter 2 leicht
auszutauschen und an einer gewünschten
Position über
der Bauplattform positionierbar. Die transparente Platte 9 ist
ferner über
eine Justiereinrichtung in ihrer Neigung und Höhe verstellbar, so dass sie
parallel zur Bauplattform ausgerichtet werden kann.
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Zwischen
der Unterseite der transparenten Platte, der Oberseite der Bauplattform 6 zugewandt, befindet
sich als separates Bauteil eine für elektromagnetische oder Teilchenstrahlung
durchlässige biegsame
Schicht 11 aus z.B. transparenter Kunststofffolie, von
der sich das verfestigte Material aufgrund der Biegsamkeit/Flexibilität der Schicht 11 besser
ablösen
kann, als von der annähernd
steifen Platte 9. Dadurch werden mechanische Einflüsse auf
das herzustellende Objekt 5 und die Vorrichtung 1 deutlich
vermindert und die Objektqualität
erhöht.
Die biegsame Schicht 11 ist in einer von der Halterung der
transparenten Platte 10 separaten Halterung 12 befestigt.
Die Halterung 12 lässt
sich ebenso wie die Halterung für
die transparente Platte 10 über eine weitere Klemmvorrichtung
separat zur Plattenhalterung leicht austauschen und in der gewünschten
Position zur Bauplattform und der transparenten Platte positionieren.
Während
des Belichtungsvorganges liegen die transparente Platte und die
biegsame Schicht aufeinander. Beim anschließenden Materialauftrag durch
Absenken der Bauplattform 6, löst sich zunächst die biegsame Schicht von
der transparenten Platte 9 und erst danach das verfestigte
Kunststoffmaterial von der biegsamen Schicht 11. Dieser zugrundeliegende
Effekt lässt
sich durch ein synchrones Mitführen
der biegsamen Schicht 11 beim Absenken der Bauplattform 6 weiter
verbessern. Dazu ist ein Antrieb 24 an der Halterung zur
vertikalen Bewegung der biegsamen Schicht 11 vorgesehen.
Diese unterstützende
Funktion kann wahlweise zugeschaltet werden.
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Oberhalb
des Behälters 2 ist
eine Belichtungseinrichtung 13 mit einer Maskenerzeugungseinrichtung 14,
z.B. einem LC-Display oder einem Digital Mirror Display, die eine
Maskenprojektion von elektromagnetischer oder Teilchenstrahlung
im sichtbaren Spektrum erlaubt, angebracht. Darüber hinaus ist auch eine andere
geeignete elektronisch ansteuerbare Pixelmatrix, die eine Maskenprojektion
von elektromagnetischer oder Teilchenstrahlung im nichtsichtbaren
Spektrum erlaubt, vorstellbar. Die Belichtungseinrichtung 13 weist
weiterhin eine wechselbare Strahlungsquelle 15, beispielsweise
in Form einer Quecksilberdampflampe oder anderer geeigneter Emittenten,
auf. Die Maskenerzeugungseinrichtung 14 ist zwischen der
Strahlungsquelle 15 und dem Behälter 2 angeordnet.
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Das
Kantenlängenverhältnis der
Bauplattform 6 entspricht dabei im wesentlichen dem Verhältnis der
Kantenabmessungen des in den Behälter
projizierten Bildes 25 der Maskenerzeugungseinrichtung 14.
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Die
Belichtungseinrichtung weist ferner eine zwischen der Maskenerzeugungseinrichtung 14 und dem
Behälter 2 angeordnete
Optik 16 in Form eines Objektives, welches wahlweise ein
Zoom-Objektiv oder eine wechselbare starre Optik sein kann, mit dem
Ziel, die erzeugte Maske 25 (s. 4) an die Größe des auf
der Bauplattform 6 zu erzeugenden Objektes durch eine vergrößerte oder
verkleinerte Abbildung anzupassen, auf. Eine verkleinerte Abbildung
der Maske 25 ermöglicht
dabei nicht nur eine Anpassung an kleinere herzustellende Objekte,
sondern auch eine Verbesserung der Strukturauflösung, da die Pixelmatrix mit
einer festen Anzahl an strukturauflösenden Elementen auf einen
kleineren Bereich abgebildet wird. Die Anordnung der Belichtungseinrichtung 13 und
der als Trennschicht zwischen aushärtendem Kunststoff und der
transparenten Platte 9 befindlichen biegsamen Schicht 11 ist
relativ zu einander so, dass die Brennebene 17 der Optik 16 mit der
Unterseite der biegsamen Schicht 11 zusammenfällt, so
dass dort eine scharte Abbildung erzeugt wird.
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Im
Strahlengang zwischen der Belichtungseinrichtung 13 und
dem Behälter 2 befindet
sich eine elektromechanische Blende 18, die zwischen den Belichtungen
durch Verschließen
des Strahlenganges während
des Materialauftrages, systemfremde und systemeigene Strahlung vom
flüssigen
Material im Behälter 2 isolieren
soll. Bei der Belichtung einer neuen Schicht wird diese Blende 18 zuvor
geöffnet. Die
Steuerung der Dauer der Belichtung erfolgt allein durch die Belichtungseinrichtung 13.
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Es
ist ferner eine Steuerung 19 mit einem Computer 20 vorgesehen,
die so ausgebildet ist, dass die Maskenerzeugungseinrichtung 14 in
der Belichtungseinrichtung 13, die Höheneinstellvorrichtung 7,
die Blende 18 und der Antrieb 24 zentral und in
Abhängigkeit
von einem von den Objektdaten abhängigen Bauprogramm steuert.
Die Steuerung 19 ist derart ausgebildet, dass sie in Abhängigkeit
von den Daten, die jeweils den Querschnitt des zu bildenden Objektes
in einer Schicht kennzeichnen, die Maskenerzeugungseinrichtung 14 ansteuert.
Ferner ist die Steuerung 19 so ausgebildet, dass die Bauplattform 6 schrittweise
um das einer Schichtdicke entsprechende Maß relativ zur Unterseite der
biegsamen Schicht 11 mit der darüber befindlichen transparenten
Platte 9 absenkbar ist und dass die Blende 18 den
Strahlengang verschließt,
wenn keine Belichtung der Oberfläche
des Kunststoffes stattfindet, bzw. dass die Blende öffnet, bevor
die Belichtung einer Schicht beginnt.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
werden zuerst aus vorgegebenen Objektdaten, z.B. 3D CAD-Daten 26,
in bekannter Weise Schichtdaten 27 gleichmäßiger Dicke
für den
Querschnitt des Objektes in jeder Schicht erzeugt. Die Schichtinformationen
werden als Baudaten an die Software zur Anlagensteuerung übergeben.
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Dann
kann in einem ersten verfahrensvorbereitenden Schritt der Behälter 2 der
Vorrichtung mit einem flüssigen
Photopolymer 8 befüllt
werden. Dieses Polymer 8 hat die Eigenschaft unter Einwirkung von
elektromagnetischer oder Teilchenstrahlung auszuhärten. Die
Eigenschaften der Strahlung müssen dabei
auf den im Polymer 8 enthaltenen Initiator (Polymerisation)
abgestimmt sein und umgekehrt. Die transparente Platte 9 und
die darunter befindliche biegsame Schicht 11 ist in die
Vorrichtung einzusetzen und zu positionieren. Die Justierung der
Platte 9 und der Schicht 11 erfolgt horizontal,
parallel zur Bauplattform 6 und senkrecht zur optischen
Achse.
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In
einem zweiten Schritt wird über
die Höheneinstellvorrichtung 7 der
Träger
derart verschoben, dass sich die Oberfläche der Bauplattform 6 um das
der gewünschten
Schichtdicke der Startschicht entsprechende Maß unterhalb der Unterseite
der biegsamen Schicht 11 befindet. Damit befindet sich zwischen
der Unterseite der biegsamen Schicht, die durch die darüber befindliche
transparente Platte gestützt
wird, und der Oberseite der Bauplattform 6 eine definierte
Schicht des flüssigen
lichtaushärtbaren Kunststoffes.
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Anschließend erfolgt
die Belichtung der ersten Schicht. Die Maskenerzeugungseinrichtung 14 wird über die
Steuerung 19 entsprechend den der ersten zu verfestigenden
Schicht des Objektes entsprechenden Schichtdaten angesteuert, so
dass die Maskenerzeugungseinrichtung eine Maske 25 bildet, welche
die von der Strahlungsquelle 15 ausgesandte elektromagnetische
oder Teilchenstrahlung an den Stellen hindurchlässt, die dem Querschnitt des
Objektes 21 in dieser Schicht entsprechen und an den übrigen Stellen
als Dunkelfeld 22 undurchlässig ist. Durch das mittels
der Optik 16 auf die Oberseite der transparenten Platte
projizierte Bild der Maske 25, erfolgt eine Bestrahlung
der unterhalb der biegsamen Schicht 11 befindlichen Schicht
flüssigen
Kunststoffmaterials lediglich an den Stellen, die dem Objektquerschnitt 21 entsprechen.
Nach der Belichtung einer Schicht wird die Maskenerzeugungseinrichtung 14 vollständig auf
Dunkelfeld 22 geschaltet, d.h. der in der projizierten
Maske befindliche jeweilige Querschnitt des Objektes 21 wird
aus dem Bild ausgeblendet, so dass keine weitere Aushärtung erfolgen
kann, da die Strahlung im Dunkelfeld 22 zu gering ist,
um das Kunststoffmaterial auszuhärten.
Darüber
hinaus verschließt
die Blende 18 den Strahlengang, um zu verhindern, dass
während
des Materialauftrages für die
nächste
Schicht emittierte Strahlung der Strahlungsquelle oder Strahlung
von außerhalb
der Vorrichtung in den Behälter 2 fällt.
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Anschließend wird
die Bauplattform 6 um ein der Steuerung vorgegebenes Maß abgesenkt.
Dabei löst
sich zunächst
die biegsame Schicht 11 von der Unterseite der transparenten
Platte 9. Unterstützend wirken
dabei trennungsfördernde
Oberflächeneigenschaften
an der Trennfläche 23 zwischen
Platte 9 und Schicht 11. Weitere Unterstützung ist
durch Zuschalten eines Antriebes 24, z.B. einem Stellmotor,
verbunden mit der Halterung der biegsamen Schicht 11 möglich, der
dafür sorgt,
die biegsame Schicht besser von der transparenten Platte zu trennen
und den Vorgang des Ablösens
des verfestigten Materials von der biegsamen Schicht soweit zu verzögern, bis
die biegsame Schicht vollständig
von der transparenten Platte getrennt ist. Durch weiteres Absenken
der Bauplattform 6 und ein durch an der Unterseite der biegsamen
Schicht 11 anhaftendes verfestigtes Material verursachtes
Wölben
der biegsamen Schicht 11, löst sich das verfestigte Material
von der Schicht 11 ab. Durch das Ablösen des verfestigten Kunststoffmaterials
von der biegsamen Schicht und der sich weiter absenkenden Bauplattform 6 entsteht zwischen
der Schicht 11 und der letzten verfestigten Materialschicht
ein Unterdruck, der dafür
sorgt, dass Kunststoffmaterial in den so erzeugten Zwischenraum
zwischen der unter der transparenten Platte befindlichen biegsamen
Schicht 11 und der zuletzt verfestigten Schicht nachfließt. Das
Absenken der Bauplattform erfolgt dabei mit einer nicht gleichmäßigen Geschwindigkeit,
z.B. beschleunigend, mit dem Ziel den beschriebenen Ablöseprozess
durch die Verfahrbewegung der Bauplattform, relativ zur transparenten
Platte bzw. der biegsamen Schicht, den unterschiedlichen Absenkphasen
der Bauplattform anpassen zu können.
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Durch
ein anschließend
erfolgendes Anheben der Bauplattform durch die Höheneinstellvorrichtung um den
Betrag des Absenkens minus den Betrag der Schichtdicke, wird die
neue Schicht eingestellt. Der oben beschriebene Ablauf wird bis
zur Fertigstellung des Objektes wiederholt.
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Der
beschriebene Prozessablauf wird durch 4 und die
vergrößerte Querschnittsdarstellung der
Vorrichtung in 2 verständlicher.
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Das
Nutzen unterschiedlicher Verfahrwege der Höhenverstelleinrichtung 7 (variable
Schichtdicken) wird für
das bisher beschriebene Verfahren durch das geometrieabhängige "slicen" der vorliegenden
Objektdaten mit variablen Schichtdicken möglich. Das ist sinnvoll für Objekte,
die beispielsweise bei einer bestimmten Positionierung die gleichen Schichtinformationen
in z-Richtung aufweisen. Die Zuordnung entsprechender Belichtungsinformationen,
wie z.B. die Wellenlänge,
die Strahlungsintensität
(Helligkeit) und die Belichtungszeit zu den verschiedenen Schichtdicken,
liefert Baudaten, die eine Optimierung von Bauzeit und erreichbarer
Qualität bei
der Herstellung dreidimensionaler Objekte ermöglichen.
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Zum
besseren Verständnis
der Funktionsweise der variablen Schichtdicke sei auf 3 verwiesen.
Der Effekt für
das abgebildete Beispiel eines Objektes in 3 ist dabei
folgender, dass das Schichtenmodell mit variablen Schichtdicken 28 im Bereich
des Formelementes Wand 30 eine geringere Anzahl an Schichten
benötigt,
was letztlich zu einer geringeren Bauzeit des Gesamtobjektes führt, im Vergleich
zum Schichtenmodell mit konstanter Schichtdicke 27. Das
Formelement Schräge 29 nimmt
mit gleicher Schichtdicke in beiden Schichtenmodellen 27, 28 keinen
Einfluss auf die Bauzeit.
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Weiterhin
ist in 2 ein Objekt 5 dargestellt, welches mit
variabler Schichtdicke gefertigt wird.
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Bauen
mit variabler Schichtdicke erfordert neben einem Schichtenmodell 28 Baudaten,
die über die
Schichtinformation (Maske 25) hinaus, die Schichtdickeninformation
für die
Höheneinstellvorrichtung
und die zugeordneten Belichtungsparameter für die Aushärtung des flüssigen Materials
zur Erzielung der notwendigen Durchhärtetiefe bereits enthalten.
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Die
Umsetzung ist durch eine Datenaufbereitung des 3D-CAD Modells möglich, die
in den Objektdaten 26 komplexe und weniger komplexe Bereiche erkennt
bzw. durch den Anwender zugewiesen bekommt und diesen Bereichen
zwei bis mehrere verschiedene Schichtdicken zuordnet bzw. durch
den Bediener zugewiesen bekommt. Jeder Schichtdicke sind die entsprechenden
Belichtungsparameter zur Erzielung der jeweils geforderten Materialdurchhärtetiefe
in den Baudaten zugeordnet, so dass ein Baufortschritt mit variablen
Schichtdicken in der Vorrichtung 1 gewährleistet werden kann.
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Das
Objekt 5 kann nach Fertigstellung durch ein Entfernen der
Halterung 10 und der Halterung 12 über der
Wanne 2 von der Bauplattform entnommen werden.