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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft die Herstellung metallischer Bauteile mit integrierten Riss-Stoppern durch generative Schichtfertigung. Im Einzelnen betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Bauteils durch generative Schichtfertigung.
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Technischer Hintergrund
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Die Verwendung der generativen Schichtfertigung (des 3D-Druckens) wird für die Fertigung metallischer Bauteile, zum Beispiel Bauteile für Flugzeuge, mehr und mehr bedeutsam. Zum Beispiel können generative Granulat-Schichtfertigungsverfahren, wie beispielsweise Direktes Metall-Lasersintern (DMLS), Elektronenstrahlschmelzen (electron beam melting – EBM), oder Selektives Laserschmelzen (selective laser melting – SLM), zum Herstellen metallischer Bauteile verwendet werden.
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Metallische Bauteile von Flugzeugen, die zyklischen Belastungen ausgesetzt sind, können mit zusätzlichen Riss-Stopperstrukturen versehen werden, die auf die Bauteile aufgebracht werden, die Risseinleitung und Risswachstum minimieren.
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EP 1 291 279 B1 betrifft ein Strukturbauteil und insbesondere ein Rumpfhüllenbauteil für ein Flugzeug, das eine Außenhautbahn und mehrere Versteifungsprofilelemente, die wenigstens teilweise durch Schweißen mit der Außenhautbahn verbunden sind, aufweist.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Es kann als eine Aufgabe der Erfindung betrachtet werden, das Gewicht von metallischen Bauteilen, die Riss-Stopper haben, zu verringern.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteile und weitere Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren dargelegt.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Bauteils durch generative Schichtfertigung (Additive Layer Manufacturing ALM), wobei eine Schicht von körnigem metallischem Material mit einem Laserstrahl oder einem Elektronenstrahl geschmolzen wird. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens der Schicht von körnigem metallischem Material, des Definierens einer Abtaststrategie des Laserstrahls oder Elektronenstrahls für eine Schmelzabfolge der Schicht und des Schmelzens der Schicht mit dem Laserstrahl oder Elektronenstrahl durch das Anwenden der definierten Abtaststrategie. Die Abtaststrategie wird auf eine solche Weise definiert, dass ein erster Bereich der Schicht zeitlich vor einem zweiten Bereich der Schicht geschmolzen wird, wobei der zweite Bereich an den ersten Bereich angrenzt, so dass Restspannungen in dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich entstehen. Die Restspannungen wirken als integrierte Riss-Stopper des metallischen Bauteils.
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Der Kern der Erfindung kann im Herstellen des metallischen Bauteils gesehen werden, das auf eine solche Weise erfolgt, dass Restspannungen, die als integrierte Riss-Stopper wirken, während der Fertigung des Bauteils durch generative Schichtfertigung in dem metallischen Bauteil induziert werden. Auf diese Weise ist kein zusätzlicher Verfahrensschritt zum Aufbringen des Riss-Stoppers auf das metallische Bauteil erforderlich. Daher wird die zum Fertigen des metallischen Bauteils erforderliche Zeit verringert. Darüber hinaus ist es nicht notwendig, dass eine zusätzliche Riss-Stoppstruktur auf das metallische Bauteil aufgebracht wird, so dass ein leichteres metallisches Bauteil, das Riss-Stopper umfasst, hergestellt werden kann.
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Im Zusammenhang der Erfindung können Riss-Stopper eine Struktur (d. h., einen Bereich mit Restspannungen) des metallischen Bauteils bezeichnen, die Risseinleitung und/oder Rissausbreitung verhindert.
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Das metallische Bauteil kann unterschiedliche Arten von metallischen Bauteilen bezeichnen. Zum Beispiel kann das metallische Bauteil ein metallisches Bauteil eines Flugzeugs sein. Das metallische Bauteil kann ein Strukturbauteil eines Flugzeugs sein, das zyklischen Belastungen ausgesetzt ist, z. B. ein Spant oder ein Stringer eines Flugzeugrumpfs.
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Im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung kann generative Schichtfertigung (ALM) 3D-Drucken bezeichnen. Zum Beispiel kann generative Schichtfertigung Direktes Metall-Lasersintern (Direct Metal Laser Sintering DMLS), Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting EBM) oder Selektives Laserschmelzen (Selective Laser Melting SLM) bezeichnen. Die generative Schichtfertigung von metallischen Bauteilen kann auf eine solche Weise durchgeführt werden, dass eine Schicht von körnigem metallischem Material auf einer Tragestruktur verteilt wird und dass das metallische Material selektiv durch einen Laserstrahl oder einen Elektronenstrahl geschmolzen wird, so dass das gewünschte metallische Bauteil geformt wird. Dieser Vorgang wird Schicht für Schicht wiederholt, so dass das metallische Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut wird. Das körnige metallische Material kann unterschiedliche Arten von metallischen Materialien und/oder Größen der körnigen Teilchen bezeichnen. Zum Beispiel kann das körnige metallische Material ein metallisches Pulver sein.
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Die Abtaststrategie, die nach dem Verfahren definiert wird, kann sich auf eine Abfolge beziehen, mit der die Schicht von körnigem metallischem Material durch den Elektronenstrahl geschmolzen wird. Zum Beispiel kann die Abtaststrategie ein Insel-Abtastmuster (Island Scanning Pattern) umfassen, bei dem die Schicht in kleinere Inseln geteilt wird, die durch den Laser- oder Elektronenstrahl zufällig abgetastet werden. Diese Abtaststrategie kann zum Beispiel mit einem oder durch ein Rechnersystem definiert werden, das zum Entwerfen des metallischen Bauteils verwendet wird und zum Steuern der generativen Schichtfertigungseinrichtung verwendet wird.
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Anschließend wird die Schicht von körnigem metallischem Material auf eine solche Weise durch den Laserstrahl oder Elektronenstrahl geschmolzen, dass der Laserstrahl oder Elektronenstrahl die definierte Abtaststrategie anwendet. Mit anderen Worten kann der Laserstrahl oder Elektronenstrahl dafür konfiguriert sein, die in der Abtaststrategie definierte Abfolge anzuwenden, um die unterschiedlichen Bereiche der Schicht von körnigem Material zu schmelzen.
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Die Abtaststrategie des Lasers kann auf eine solche Weise optimiert werden, dass Teilbereiche der Oberfläche (d. h., der zweite Bereich) am Ende jeder Schicht derart geschmolzen werden können, dass Zug-Teilbereiche der Oberfläche entstehen, die auf die Zeitdifferenz zwischen der Erhärtung und Kontraktion der behandelten fertigen Bereiche zurückzuführen sind. Die Erzeugung dieser inneren Zugbereiche kann Druckkräfte an dem umgebenden Material induzieren. Die Position dieser Bereiche kann in einer Oberflächenschicht optimiert werden, was zu einer Kompression der Oberflächenschichten führen kann, was die Rissausbreitung begrenzt und die Lebensdauer bezüglich der Materialermüdung verbessert.
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Folglich ist zu verstehen, dass es einen spezifischen Zeitraum zwischen dem Schmelzen des ersten Bereichs und dem Schmelzen des zweiten Bereichs gibt. Dieser Zeitraum zwischen dem Schmelzen des ersten Bereichs und dem Schmelzen des zweiten Bereichs wird spezifisch auf eine solche Weise gewählt, dass während des anschließenden Erhärtens des körnigen Materials Restspannungen in dem ersten und dem zweiten Bereich entstehen, wobei die Restspannungen als integrierte Riss-Stopper des metallischen Bauteils wirken. Mit anderen Worten sind die Riss-Stopper in dem metallischen Bauteil enthalten und es ist nicht erforderlich, einen zusätzlichen Riss-Stopper auf die Oberfläche des metallischen Bauteils aufzubringen.
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Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Abtaststrategie auf eine solche Weise definiert, dass in dem ersten Bereich Restdruckspannungen entstehen und in dem zweiten Bereich Restzugspannungen entstehen.
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Die Restspannungen können eine Stärke haben, die größer als 10 MPa, vorzugsweise größer als 50 MPa, insbesondere größer als 100 MPa, ist.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Abtaststrategie auf eine solche Weise definiert, dass der zweite Bereich der Schicht am Ende der Schmelzabfolge der Schicht geschmolzen wird.
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Zum Beispiel wird die Abtaststrategie auf eine solche Weise definiert, dass die anderen Bereiche, die an den zweiten Bereich angrenzen, zeitlich vor dem zweiten Bereich geschmolzen werden. Darüber hinaus kann die Abtaststrategie auf eine solche Weise definiert werden, dass der erste Bereich, der an den zweiten Bereich angrenzt, um einen bestimmten Zeitraum vor dem zweiten Bereich geschmolzen wird, wobei dieser Zeitraum spezifisch derart gewählt wird, dass die Restspannungen in dem ersten und dem zweiten Bereich entstehen.
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Der Zeitraum zwischen dem Schmelzen des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs kann in der Größenordnung von zehn Sekunden liegen. Der Zeitraum kann von dem gewünschten Stärkegrad von Restspannungen, der Leistung des Lasers und der definierten Temperatur in der Aufbaukammer abhängen.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Abtaststrategie auf eine solche Weise definiert, dass der zweite Bereich während der Schmelzabfolge der Schicht geschmolzen wird und am Ende der Schmelzabfolge der Schicht erneut geschmolzen wird.
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Zum Beispiel können der erste Bereich und der zweite Bereich der Schicht von körnigem Material zuerst unter Verwendung einer standardmäßigen Abtaststrategie geschmolzen werden, und anschließend kann der zweite Bereich der Schicht erneut geschmolzen werden, so dass während des Härtungsvorgangs der Schicht Spannungen in dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich entstehen.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Schicht eine Oberflächenschicht des metallischen Bauteils.
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Mit anderen Worten ist die Schicht, welche die Restdruckspannungen umfasst, die als Riss-Stopper wirken, an der Oberflächenschicht oder nahe der Oberflächenschicht des metallischen Bauteils angeordnet. Es ist zu verstehen, dass die Oberflächenschicht eine Schicht sein kann, die eine Außenfläche des metallischen Bauteils definiert. Durch das Bereitstellen von Restdruckspannungen an der Oberfläche des metallischen Bauteils können durch das künstliche Induzieren eines Rissverschlusses durch die Restdruckspannungen Risseinleitung oder -ausbreitung verringert werden.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Abtaststrategie auf eine solche Weise definiert, dass der zweite Bereich eine ebene Oberfläche hat, welche die Restspannungen aufweist.
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Mit anderen Worten umfasst das metallische Bauteil umfasst keine Riss-Stoppstrukturen, die aus der Oberfläche des metallischen Bauteils herausragen.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Schritte des Bereitstellens der Schicht von körnigem metallischen Material, des Definierens der Abtaststrategie des Laserstrahls oder Elektronenstrahls und des Schmelzens der Schicht mit dem Laserstrahl oder Elektronenstrahl, wie im Zusammenhang der Erfindung beschrieben, Schicht für Schicht wiederholt.
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Mit anderen Worten wird eine ähnliche Strategie für mehrere aufeinanderfolgende Schichten angewendet, so dass sich die Bereiche, die Restspannungen aufweisen, über mehrere Schichten erstrecken.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung beschriebenes Verfahren zum Fertigen eines Flugzeug-Strukturbauteils.
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Das Flugzeug-Strukturbauteil kann zum Beispiel eine Klammer (Bracket), ein Spant oder ein Stringer sein.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die generative Schichtfertigung Direktes Laser-Metallsintern, Elektronenstrahlschmelzen oder Selektives Laserschmelzen.
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Es ist zu bemerken, dass die Verfahrensschritte in der im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden können. Darüber hinaus können die Verfahrensschritte ebenfalls in einer anderen Reihenfolge oder parallel zueinander durchgeführt werden.
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Die oben beschriebenen Aspekte und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind ebenfalls in den Ausführungsbeispielen zu finden, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2 zeigt die Fertigung eines metallischen Bauteils durch generative Schichtfertigung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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3 zeigt einen Querschnitt eines metallischen Bauteils nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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4A bis 4F zeigen unterschiedliche Stadien des Schmelzens einer Schicht eines metallischen Bauteils nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Falls in der folgenden Beschreibung die gleichen Bezugszeichen in Bezug auf unterschiedliche Figuren verwendet werden, können sie sich auf die gleichen oder ähnliche Elemente beziehen. Die gleichen oder ähnliche Elemente können ebenfalls durch unterschiedliche Bezugszeichen bezeichnet werden.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In 1 wird ein Ablaufdiagramm für ein Verfahrens zum Fertigen eines metallischen Bauteils durch generative Schichtfertigung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Bei der generativen Schichtfertigung wird eine Schicht von körnigem metallischem Material mit einem Laserstrahl oder einem Elektronenstrahl geschmolzen. Das Verfahren umfasst einen Schritt S1 des Bereitstellens der Schicht von körnigem metallischem Material, einen Schritt S2 des Definierens einer Abtaststrategie des Laserstrahls oder Elektronenstrahls für eine Schmelzabfolge der Schicht und einen Schritt S3 des Schmelzens der Schicht mit dem Laserstrahl oder Elektronenstrahl durch das Anwenden der definierten Abtaststrategie. Die Abtaststrategie wird auf eine solche Weise definiert, dass ein erster Bereich der Schicht vor einem zweiten Bereich der Schicht geschmolzen wird, wobei der zweite Bereich an den ersten Bereich angrenzt, so dass Restspannungen in dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich entstehen. Darüber hinaus wirken die Restspannungen als integrierte Riss-Stopper des metallischen Bauteils, wie im Zusammenhang der Erfindung erläutert.
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In 2 wird die Fertigung eines metallischen Bauteils 200 durch generative Schichtfertigung gezeigt. Das metallische Bauteil 200 umfasst mehrere Schichten 201, 202 und 203, die durch generative Schichtfertigung hinzugefügt werden. Darüber hinaus wird eine weitere Schicht 208 auf das metallische Bauteil 200 hinzugefügt. Dies erfolgt auf eine solche Weise, dass eine Auftragsvorrichtung 204 eine Schicht von körnigem Material 205 aufbringt. Dieses körnige Material wird durch einen Laserstrahl 207 oder 206 geschmolzen. Beim Schmelzen des körnigen Materials 205 wenden der Laser 206 und der Laserstrahl 207 eine definierte Abtaststrategie an, die auf eine solche Weise definiert wird, dass ein erster Bereich der Schicht vor einem zweiten Bereich der Schicht geschmolzen wird, wobei der zweite Bereich an den ersten Bereich angrenzt, so dass Restspannungen in dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich entstehen, wobei die Restspannungen als integrierte Riss-Stopper des metallischen Bauteils wirken. Die Schicht 208 ist zum Beispiel eine Oberflächenschicht des metallischen Bauteils, d. h., eine Außenschicht des metallischen Bauteils.
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In 3 wird ein Querschnitt eines metallischen Bauteils 300 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Pfeile 306 zeigen die zyklischen Belastungen, denen das metallische Bauteil 300 ausgesetzt sein wird. Darüber hinaus wird gezeigt, dass das metallische Bauteil ein Loch 301 umfasst. Auf Grund der zyklischen Belastungen ist die Gefahr des Einleitens von Rissen im Bereich des Lochs erhöht, wobei sich die Risse im Wesentlichen in einer senkrechten Richtung zu den zyklischen Belastungen erstrecken. Folglich ist es erwünscht, Riss-Stopper angrenzend an das Loch 301 bereitzustellen, welche die Gefahr von Risseinleitung und -ausbreitung senkrecht zu den zyklischen Belastungen 306 minimieren.
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Daher wird die Abtaststrategie des Lasers auf eine solche Weise definiert, dass erste Bereiche 302 und 303, die dem Loch 301 benachbart sind, vor zweiten Bereichen 304 und 305 geschmolzen werden. Auf diese Weise werden in den ersten Bereichen 302 und 303 Restdruckspannungen entstehen, und in den zweiten Bereichen 304 und 305 werden nach dem Erhärten des körnigen Materials Restzugspannungen entstehen. Mit anderen Worten wird die Identifizierung von Bereichen, die anfällig für Risseinleitung und Rissausbreitung sind, in 3 gezeigt. Folglich werden die ersten Bereiche 302 und 303 identifiziert, in denen Restdruckspannungen erwünscht sind, so dass ein Rissverschluss künstlich an der Oberfläche des metallischen Bauteils induziert wird. Um diese erwünschten Restdruckspannungen in den ersten Bereichen 302 und 303 zu induzieren, werden Restzugspannungen in den zweiten Bereichen 304 und 305 induziert.
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In 4A bis 4F wird eine Abtaststrategie, die eine Schmelzabfolge zum Induzieren der Bereiche 302, 303, 304 und 305 definiert, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt.
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In 4A wird gezeigt, dass das metallische Bauteil 300 auf eine solche Weise ausgerichtet wird, dass die gewünschten Restdruckspannungen in der xy-Ebene liegen (wobei die z-Achse als die vertikale Aufbaurichtung für die generative Fertigung betrachtet wird). Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die xy-Ebene die Ebene der Zeichnung von 4A bis 4F.
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In 4B wird gezeigt, dass die Laserbahn auf eine solche Weise definiert wird, dass die ersten Bereiche 302 und 303 selektiv zu Beginn der Schmelzabfolge der Schicht bearbeitet werden.
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In 4C und 4D wird gezeigt, dass der Rest der Fläche der zu schmelzenden Schicht unter Verwendung vorhandener Abtastmuster bearbeitet wird. Es wird beispielhaft gezeigt, dass der Rest der Schicht unter Verwendung eines Inselabtastmusters geschmolzen wird, wobei Inseln 401, 402 der Schicht zufällig geschmolzen werden. Auf diese Weise können die Restspannungen im Rest des Bauteils derart verringert werden, dass nur Restspannungen in den ersten und den zweiten Bereichen entstehen werden. In 4D wird ferner gezeigt, dass zusätzliche Inseln 403 und 404 zufällig geschmolzen werden.
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In 4E wird gezeigt, dass die gesamte Schicht des Bauteils 300 bis auf die zweiten Bereichen 304 und 305 geschmolzen wird.
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In 4F wird gezeigt, dass die zweiten Bereiche 304 und 305, welche die Restzugspannungen aufweisen werden, am Ende der Schmelzabfolge geschmolzen werden. Auf diese Weise erfolgt die Erhärtung der zweiten Bereichen 304 und 305 später als die Erhärtung der ersten Bereiche 302 und 303, so dass in den ersten Bereichen 302 und 303 Restdruckspannungen entstehen und in den zweiten Bereichen 304 und 305 Restzugspannungen entstehen.
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Alternativ kann zuerst die gesamte Schicht durch das Anwenden einer standardmäßigen Abtaststrategie für die vollständige Schicht einschließlich des ersten und des zweiten Bereichs, zum Beispiel durch das Anwenden von Inselabtastmustern, geschmolzen werden und die zweiten Bereiche 304 und 305 können am Ende der Schmelzabfolge der Schicht erneut geschmolzen werden.
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Für darauffolgende Schichten wird eine ähnliche Strategie angewendet, so dass die Spannungen der vorhergehenden Schicht in die nächste Schicht ausgedehnt werden.
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In den Ansprüchen schließt das Wort ”umfassend” andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein” oder „eine” schließt eine Vielzahl nicht aus. Die alleinige Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in jeweils unterschiedlichen abhängigen Ansprüchen wiedergegeben werden, gibt nicht an, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhafterweise verwendet werden kann. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen schränken den Schutzbereich der Ansprüche nicht ein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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