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Die Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen eines Miniaturkörpers oder mikrostrukturierten Körpers aus nacheinander aufgetragenen Schichten mit oder aus Partikeln, wobei nach jedem Schichtauftrag die jeweilige Schicht entsprechend der Querschnittsfläche des Miniaturkörpers oder mikrostrukturierten Körpers in dieser Schicht mit Laserstrahlen mindestens eines Lasers bestrahlt werden. Miniaturkörper, als verkleinerte Abbilder von Körpern, und mikrostrukturierte Körper sind der Mikrotechnik zuzuordnen, wobei mit dem Verfahren Körper und geometrische Strukturen mit Dimensionen im Mikrometerbereich realisierbar sind.
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In der
DE 43 09 524 C 2 (Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts) wird ein Verfahren beschrieben, wobei die Strahlungseinwirkung im Kernbereich eines Objektes zu einer minimalen Verformung und im Hüllbereich zu einer möglichst glatten und genauen Oberfläche führt. Die Ermittlung des Hüllbereichs erfolgt durch Subtraktion in dreidimensionaler Weise von Einzelbereichen des Kernbereichs von dem Gesamtkörper. Die Bestrahlung erfolgt in unterschiedlicher Art und Weise, je nachdem ob es sich um einen Einzelbereich im Kernbereich oder einen solchen im Hüllbereich handelt. Neben der Ermittlung der Hüllbereiche sind unterschiedliche Bestrahlungstechnologien zur Realisierung des Objektes notwendig.
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Aus der Druckschrift
EP 0 979 163 B1 (Gerät und Verfahren zur kontrollierten Belichtung eines aushärtbaren Mediums unter Benutzung einer gepulsten Strahlungsquelle bei der Herstellung dreidimensionaler Gegenstände) ist ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers aus aufeinander aufgetragenen Schichten aus Partikeln bekannt, wobei nach jedem Schichtauftrag die jeweilige Schicht mit Laserstrahlen eines gepulsten Lasers bestrahlt wird.
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Weiterhin ist durch die Druckschrift
US 5 256 340 (method of making a three-dimensional object by stereolithography) ein Verfahren bekannt, bei dem der schichtweise Aufbau des Körpers dadurch erfolgt, dass die jeweils zu verfestigende Pulverschicht punktweise belichtet wird. Dabei entstehen verfestigte kugelförmige Bereiche, die sich nicht überlappen und voneinander isoliert sind. Die Kugeln einer Schicht sind mit denen der darunter liegenden Schicht versintert. Die Schichten können auch so bestrahlt werden, dass neben den kugelförmigen Bereichen auch fliesenförmige Bereiche vorhanden sind. Diese flächenförmige Bereiche überlappen sich nicht und sind voneinander isoliert.
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Die Realisierung der Körper basiert auf der vernetzten Struktur der kugel- oder fliesenförmigen Bereiche im Körper ausgehend von den aufgetragenen Schichten aus Partikeln. Daraus resultierende Spannungen werden nicht reduziert. Auch eine weitere Verfestigung erfolgt nicht.
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Die Druckschrift
DE 101 57 647 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Werkstücken in einer Laser-Materialbearbeitungsanlage oder einer Stereolitographieanlage, wobei entweder lagenweise Sintermaterial oder pastoses Material aus einer Vorratseinrichtung auf eine Unterlage aufgetragen und durch bereichsweise Bestrahlung mit Laserstrahlung eines Lasers erhitzt wird. Die Bestandteile des Sintermaterials oder pastosen Materials verbinden sich bei zumindest teilweiser Aufschmelzung lagenweise zu dem Werkstück.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Miniaturkörper oder mikrostrukturierte Körper in hoher Maßhaltigkeit sowohl schnell als auch mit möglichst kleinen Volumenänderungen und Spannungen bei der Herstellung aus den Schichten mit oder aus Pulver bei gleichzeitiger wenigstens ausreichender Festigkeit herzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Verfahren zum Herstellen von Miniaturkörpern oder mikrostrukturierten Körpern zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass diese Körper maßhaltig, schnell und ökonomisch hergestellt werden können. Die Herstellung basiert auf nacheinander aufgetragenen Schichten mit oder aus Partikeln, wobei nach jedem Schichtauftrag die jeweilige Schicht entsprechend der Konturen und der Querschnittsfläche des Miniaturkörpers oder mikrostrukturierten Körpers in dieser Schicht mit Laserstrahlen mindestens eines Lasers bestrahlt wird. Dazu wird die Schicht ein- oder mehrmals linienförmig überfahren. Durch das Überfahren und die Bestrahlung der Schicht mit Pulsen eines gepulsten Laserstrahles werden sich nicht überlappende Bereiche aus miteinander gesinterten Partikeln sowohl als Wandbereich als auch als Innenbereich des Körpers oder des mikrostrukturierten Körpers gebildet. Die Führung und das Bestrahlen erfolgt dabei so, dass zum Einen sich diese Bereiche in der Schicht nicht überlagern und dabei isoliert voneinander sind und zum Anderen Partikel dieser Schicht sowohl miteinander als auch mit wenigstens einer der darunterliegenden Schichten sintern.
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Die Bereiche werden durch die Pulse der gepulsten Laserstrahlen selbst geometrisch festgelegt, wobei der Bereich selbst aus einem mehr fest gesinterten inneren Teilbereich und einem diesen umgebenden weniger fest gesinterten äußeren Teilbereich besteht.
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Die mehr fest gesinterten Teilbereiche entstehen im Zentrum der Bereiche durch Einwirkung der Pulse der gepulsten Laserstrahlen mit genügend hoher Intensität, wobei nach der Ausbildung von Übergängen zwischen den Partikeln (Anfangs- und Frühstadium) durch Zunahme dieser Übergänge und weitere verdichtende Vorgänge eine Abnahme von Zahl und Volumen der Poren zwischen den Partikeln (Zwischen- und Spätstadium) stattfindet.
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Die weniger fest gesinterten Teilbereiche entstehen entweder als Randbereich der mehr fest gesinterten Teilbereiche oder durch Einwirkung der Pulse der gepulsten Laserstrahlen mit zwar genügend hoher Intensität aber auf Bereiche der Schicht, in denen das Pulver schon weitgehend beeinflusst/verbraucht wurde, durch vorhergehende Laserbestrahlung in unmittelbarer Nähe. Dabei werden die weniger gesinterten Teilbereiche durch entweder Ausbildung von Übergängen zwischen den Partikeln (Anfangs- und Frühstadium) oder sowohl Ausbildung (Anfangs- und Frühstadium) als auch Zunahme der Übergänge zwischen den Partikeln und eine Abnahme von Zahl und Volumen der Poren zwischen den Partikeln (Zwischenstadium) gebildet.
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Das Vorgehen ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass Partikel auf mindestens einer der unterliegenden Schichten angesintert werden. Durch zunehmendes Verdichten der Schicht ohne direkte Überlappung wird das Entstehen von inneren Spannungen in der Schicht nachhaltig vermieden. Die laterale Vernetzung erfolgt durch das Ansintern der Bereiche der nächsten Schicht oder den nächsten Schichten an jeweils mehr als einen Bereich der tieferliegenden Schicht oder Schichten.
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Bei dem Vorgang des Sintern werden die freien Bindekräfte der Partikeloberflächen genutzt, damit sich nach Überwindung der Aktivierungsenergien durch Erwärmen lokalisierte Fusionen der Partikel an den Berührungsstellen ausbilden. Gleichzeitig werden zumeist Schichten aus anderen Atomen und Molekülen in Form von Gas und Feuchtigkeit, durch deren Einfluss die Fusion vermindert wird, beseitigt. Weiterhin begünstigen Gestalt, Größe und struktureller Zustand der Partikel einen hohen Fusionsgrad der Partikel und wesentliche Festigkeitssteigerung insbesondere im Anfangsstadium des Sinterns des mit Pulsen eines gepulsten Laserstrahles beaufschlagten Bereiches der Schicht. Zunehmende Fusion führt gleichzeitig zu einer stärkeren Vernetzung und zur Verringerung der Gesamtoberfläche und damit zur Erhöhung der Dichte des Miniaturkörpers oder mikrostrukturierten Körpers infolge der Abnahme von Zahl und Volumen der Poren.
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In den Bereichen der Schicht entsteht ein Temperaturgefälle bzw. ein Gefälle der Strahlungsdichte vom Zentrum des Auftreffbereiches der gepulsten Laserstrahlen zu dessen Rand. Die Raumdichte der Bereiche und deren Abstände zueinander bestimmen die Festigkeit der Miniaturkörper oder mikrostrukturierten Körper.
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Die Miniaturkörper oder mikrostrukturierten Körper bestehen damit aus körperlichen Netzstrukturen, die aus den Bereichen von durch Sintern verbundener Partikel zusammengesetzt sind. Die flächenmäßige Dichte dieser Bereiche in der Schicht und die massenmäßige Dichte der daraus entstehenden Netzstrukturen werden durch die flächenmäßige Dichte der Pulse der gepulsten Laserstrahlen beeinflusst.
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Am Aufbau der Netzstruktur sind auch Vorgänge beteiligt, bei denen auch zusätzlich Abtrag stattfindet. Beim Abtragen werden Bereiche der gesinterten Schicht entweder mit Pulsen jeweils so hoher Intensität und Energie oder mit so hoher Dichte der gepulsten Laserstrahlen beaufschlagt, dass entweder noch vorhandenes Pulvermaterial oder Material aus den Netzstrukturen oder beides abgetragen wird. Dabei verdampft das Material oberflächlich. Das kann zum Einen sowohl zur Glättung von Oberflächen als auch zur Verdichtung der oberflächennahen Zone und/oder der unter der Oberfläche liegenden Bereiche des Miniaturkörpers oder mikrostrukturierten Körpers oder zum Anderen bei Eindringen von gepulsten Laserstrahlen mit höherer Intensität in tieferliegende Schichten zu einer Verstärkung der vertikalen Vernetzung des Miniaturkörpers oder mikrostrukturierten Körpers und weiterhin vorteilhafterweise zu einem Aufrauen der Oberfläche eingesetzt werden.
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Vorteilhafterweise können auch zunächst sich nicht überlappende Bereiche der jeweiligen Schicht entsprechend des Querschnitts als Innenbereich und als Wandbereich des Miniaturkörpers oder mikrostrukturierten Körpers mit gepulsten Laserstrahlen so lange beaufschlagt werden, dass Partikel in den Bereichen überwiegend sintern. Mit einer entsprechenden Führung können die Wandbereiche weiterhin so überfahren werden, dass sich überlappende Bereiche der jeweiligen Schicht entsprechend der Kontur des Miniaturkörpers oder mikrostrukturierten Körpers ausbilden. Damit können beliebige zwei- oder dreidimensionale Gradienten des Grades des Sinterns ausgebildet werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 5 angegeben.
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Durch ein gezieltes Abtragen mit den Pulsen der gepulsten Laserstrahlen von bereits als Oberflächen- oder Konturbereich gesinterten Partikeln nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 können unter anderem auch Oberflächenbereiche oder Konturen des Miniaturkörpers oder mikrostrukturierten Körpers vorteilhafterweise geglättet und verdichtet werden oder stärker vertikal vernetzt und vorteilhafterweise aufgeraut werden.
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Durch Verwendung von Pulsen entweder entsprechend hoher Intensität und Energie oder durch eine entsprechend hohe Flächendichte der Pulse auf der Schichtoberfläche kann nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 in einfacher Weise ein Abtrag erzielt werden.
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Bei größeren Intensitäten, als zum oberflächlichen Abtragen erforderlich ist, nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4, dringen die gepulsten Laserstrahlen tiefer als eine Schicht in den gesinterten Miniaturkörper oder mikrostrukturierten Körper ein, wobei überwiegend im Strahlzentrum das gesinterte Material bis in eine Tiefe über eine Schicht hinaus aufgeschmolzen und teilweise verdampft wird. Dadurch entstehen sowohl punktuelle tiefe Abtragskamine, durch die Schmelze und Dampf ausgetrieben werden. Dieses Material wird teilweise als Abtrag von dem Körper entfernt, teilweise kondensiert und erstarrt es entweder an den Kaminwänden oder als Aufwurf an der Austrittsstelle. Der Anteil des kondensierten und erstarrten Materials ist von der Intensität der gepulsten Laserstrahlen, dem Material und der Dichte des Miniaturkörpers oder mikrostrukturierten Körpers abhängig. Vorteilhafterweise entsteht durch diesen Anteil ein stärkerer Verbund innerhalb der gesinterten Raumnetzstruktur und eine rauere Oberfläche der beaufschlagten Bereiche.
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Wird der mit abtragenden Parametern dimensionierte gepulste Laserstrahl nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 an der Kontur des Miniaturkörpers oder mikrostrukturierten Körpers so entlang geführt, dass die dadurch vollständig abgetragenen Bereiche der Schicht die Kontur außerhalb der Querschnittsfläche tangieren, wird dadurch über die Kontur herausstehendes gesintertes Material vorteilhafterweise abgetragen, dieses Material teilweise verdichtend in die gesinterte Kontur hineingetrieben und ein Spalt zwischen der Kontur und dem umgebenden Material erzeugt. Das führt vorteilhafterweise zur Präzisierung der Kontur des Miniaturkörpers oder mikrostrukturierten Körpers.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden näher beschrieben.
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In einem Verfahren eines ersten Ausführungsbeispiels werden Miniaturkörper oder mikrostrukturierte Körper aus nacheinander aufgetragenen Schichten mit oder aus Partikeln hergestellt, wobei nach jedem Schichtauftrag die jeweilige Schicht entsprechend der Querschnittsfläche des Miniaturkörpers oder mikrostrukturierten Körpers in dieser Schicht mit Laserstrahlen mindestens eines Lasers bestrahlt werden. Dazu werden durch ein- oder mehrmaliges linienförmiges Überfahren der Schicht und dem Beaufschlagen der Schicht mit Laserpulsen sich nicht überlappende und voneinander isolierte Bereiche des Körperquerschnitts in der jeweiligen Schicht entsprechend der Kontur sowohl als Wandbereich als auch als Innenbereich des Miniaturkörpers oder mikrostrukturierten Körpers gebildet, wobei Partikel in den Bereichen der Schicht und mindestens einer darunterliegenden Schicht überwiegend miteinander sintern. Die mit den gepulsten Laserstrahlen beaufschlagten Bereiche sind dabei zufällig über die Querschnittsfläche sowohl als Wandbereich als auch als Innenbereich des Miniaturkörpers oder mikrostrukturierten Körpers verteilt. Der Bereich wird dabei mit wenigstens einem Laserpuls eines geführten Laserstrahles beaufschlagt und durch diesen selbst örtlich festgelegt.
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Die Zufälligkeit ergibt sich daraus, dass nach jeder mit dem Laserstrahl abgearbeiteten Linie mit zum Beispiel einem Pulsabstand von 100 µm bei einem Fokusdurchmesser von 20 µm eine Zufallsgröße dazu führt, dass die nächste Linie keine feste Phasenbeziehung zu den vorherigen Linien besitzt.
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Nach dem Abarbeiten der gesamten Fläche erfolgt eine Drehung des Linienrasters um zum Beispiel 7° und ein erneutes Abarbeiten der Fläche mit dem Linienraster. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die gesamte Fläche nahezu gleichmäßig mit Bereichen bedeckt ist.
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Die Bereiche sintern dabei in fest gesinterte innere Teilbereiche und diese umgebende weniger fest gesinterte Teilbereiche entweder am Rand oder durch Einwirkung der gepulsten Laserstrahlen mit zwar genügend hoher Intensität aber auf Bereiche der Schicht, in denen das Pulver durch vorhergehende Laserbestrahlung in der Nähe schon weitestgehend beeinflusst/verbraucht wurde. Die Bereiche überlagern sich weitestgehend von Schicht zu Schicht nicht, so dass Partikel in den Bereichen der Schicht und mindestens einer darunterliegenden Schicht überwiegend miteinander sintern. Es entsteht im Miniaturkörper oder mikrostrukturierten Körper eine Netzstruktur aus gesinterten Bereichen.
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Die Führung des Laserstrahls über die Schicht kann in verschiedenen Formen erfolgen:
- - die Zustellbewegung des Laserstrahls wird gestoppt und das Abarbeiten einer Linie beginnt jeweils an der Kontur mit einer zufällig ausgelösten Pulsfolge, die am nächsten Rand der Kontur endet,
oder
- - der Laserstrahl wird gleichmäßig zum Beispiel mäander- oder spiralförmig über die gesamte Schicht geführt; während der Bewegung werden an der Kontur beginnend und endend gepulste Laserstrahlen ausgelöst; die Phasenbeziehung zwischen den Linien wird durch Einfügen einer Zufallsgröße, zum Beispiel einer zufälligen oder mit der Pulsrepetition inkommensurablen Wartezeit nach jeder Linie, zerstört.
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In einer Ausführungsform des Ausführungsbeispiels kann der Wandbereich der jeweiligen Schicht nach dem Beaufschlagen der Bereiche der Schicht mit gepulsten Laserstrahlen des Lasers oder eines weiteren Lasers so bestrahlt werden, dass überlappende Bereiche vorhanden sind, worin Poren, Defekte und Rekristallisationen wenigstens bereichsweise ausgeheilt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform werden die sich zunächst nicht überlappenden Bereiche der jeweiligen Schicht entsprechend des Querschnitts als Innenbereich des Miniaturkörpers oder mikrostrukturierten Körpers mit gepulsten Laserstrahlen so beaufschlagt, dass Partikel in den Bereichen miteinander überwiegend sintern, und sich überlappende Querschnittsbereiche der jeweiligen Schicht entsprechend als Wandbereich des Miniaturkörpers oder mikrostrukturierten Körpers mit Laserstrahlen so beaufschlagt, dass Partikel in den Bereichen mit- und untereinander überwiegend sintern.
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Die mit den gepulsten Laserstrahlen beaufschlagten Bereiche sind dabei entweder zufällig/unregelmäßig oder regelmäßig über die Querschnittsfläche als Innenbereich des Miniaturkörpers oder mikrostrukturierten Körpers verteilt. Der Bereich wird dabei mit wenigstens einem Laserpuls eines geführten Laserstrahls beaufschlagt und durch diesen selbst örtlich festgelegt.
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Die Zufälligkeit ergibt sich wie bereits beschrieben.
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Bei einer regelmäßigen Anordnung der Laserpulse wird eine gesinterte Fläche zum Beispiel bei einem Pulsabstand von 100 µm und einem quadratischen Fokus mit einer Kantenlänge von 20 µm durch Versatz von jeweils 20 µm in beide Richtungen nach insgesamt 16 Überfahrungen vollständig bedeckt. Alle Pulse haben eine feste Phasenbeziehung zueinander, so dass eine regelmäßige Struktur entsteht. Durch gezielte Packung der Bereiche innerhalb der Schichten und der Anordnungen der aufeinanderfolgenden Schichten können - analog wie bei kristallinen Strukturen - Raumnetze mit spezifischen physikalischen Eigenschaften generiert werden.
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Die Führung des Laserstrahles kann in verschiedenen Formen erfolgen:
- - die Zustellbewegung des Laserstrahls wird gestoppt und das Abarbeiten einer Linie beginnt jeweils an der Kontur mit einer phasenmäßig definiert ausgelösten Pulsfolge, die am nächsten Rand der Kontur endet,
oder
- - der Laserstrahl wird gleichmäßig zum Beispiel mäanderförmig über die gesamte Schicht geführt; während der Bewegung werden gepulste Laserstrahlen an der Kontur beginnend und endend ausgelöst; die Phasenbeziehung zwischen den Linien ist definiert.
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Eine qualitativ hochwertige Oberfläche ist durch die Bewegung des gepulsten Laserstrahls entlang der Kontur mit einem höheren Überlappungsgrad in jeder Schicht realisierbar.
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Die Intensität und Energie der Quelle für die gepulsten und geführten Laserstrahlen wird so dimensioniert, dass Pulvermaterial dieser aufgetragenen Schicht partiell abgetragen wird, wobei der Rückstoß des Abtrags dem verbleibenden erhitzten Pulvermaterial einen Impuls in Einfallsrichtung der gepulsten Laserstrahlen verleiht und somit sowohl die Verdichtung loser Pulverschüttungen erhöht als auch die Vernetzung des erhitzten Materials mit der bereits vollendeten vorherigen Schicht begünstigt.
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In einem Verfahren eines zweiten Ausführungsbeispiels werden Miniaturkörper oder mikrostrukturierte Körper aus nacheinander aufgetragenen Schichten mit oder aus Partikeln hergestellt, wobei nach jedem Schichtauftrag die jeweilige Schicht entsprechend der Querschnittsfläche des Miniaturkörpers oder mikrostrukturierten Körpers in dieser Schicht mit Laserstrahlen mindestens eines Lasers bestrahlt wird.
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Dazu werden ausgewählte Bereiche der gesinterten Schicht mit gepulsten Laserstrahlen so beaufschlagt, dass bestrahlte Bereiche durch Verdampfen abgetragen werden und verbleibende Schmelze teilweise oder vollständig in die Lücken der darunterliegenden fest gesinterten Schicht als Netzwerk gelangt. Daraus resultiert eine Höhenreduzierung des Miniaturkörpers oder mikrostrukturierten Körpers in diesem Bereich und vorteilhafterweise eine Glättung und Verdichtung der beaufschlagten Oberfläche.
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In einer weiteren Ausführungsform werden ausgewählte Bereiche der gesinterten Schicht mit gepulsten Laserstrahlen so beaufschlagt, dass bestrahlte Bereiche auf der Stelle des Laserpulses bis in die Tiefe von mehr als einer Schicht aufgeschmolzen und teilweise verdampft werden Es entstehen sowohl punktuelle tiefe Abtragkamine als auch durch die an den Kaminwänden erstarrende ausgetriebene Schmelze vorteilhafterweise ein stärkerer vertikaler Verbund innerhalb der gesinterten Raumnetzstruktur und eine rauere Oberfläche der beaufschlagten Bereiche.