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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Verfahren zum additiven Herstellen, die in dem Ablauf des Aufbauens eines Objekts Stützen verwenden, sowie auf neue innerhalb dieser AM-Verfahren zu verwendende Stützen.
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Additive Herstellungsverfahren (AM-Verfahren) beinhalten allgemein das Aufbauen von einer oder mehreren Materialien, um ein Objekt in der Endkontur oder endkonturnah (NNS) herzustellen, im Unterschied zu den abtragenden Herstellungsverfahren. Obwohl „additive Herstellung“ ein Industriestandardbegriff ist, umfasst AM verschiedene Herstellungs- und Prototypenherstellungstechniken, die unter einer Vielfalt von Namen bekannt sind, einschl. Freiformfertigung, 3D-Drucken, schneller Prototypenbau/schneller Werkzeugbau, usw. AM-Techniken sind in der Lage, komplexe Objekte aus einer großen Vielfalt von Materialien herzustellen. Allgemein kann ein freistehendes Objekt aus einem computergestützten Konstruktionsmodell (CAD-Modell) hergestellt werden. Eine bestimmte Art des AM-Verfahrens verwendet einen Energiestrahl, z.B. einen Elektronenstrahl oder eine elektromagnetische Strahlung, wie etwa einen Laserstrahl, um ein Metallpulvermaterial zu sintern oder zu schmelzen, wodurch ein festes dreidimensionales Objekt erzeugt wird, dessen Partikel des Pulvermaterials miteinander verbunden werden. Unterschiedliche Materialsysteme, z.B. technische Kunststoffe, thermoplastische Elastomere, Metalle oder Keramiken sind in Verwendung. Lasersintern oder Laserschmelzen ist ein beachtliches AM-Verfahren zur schnellen Herstellung von funktionalen Objekten, Prototypen und Werkzeugen.
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Selektives Lasersintern, direktes Lasersintern, selektives Laserschmelzen und direktes Laserschmelzen sind gebräuchliche Industriebegriffe, die verwendet werden, um sich auf die Produktion von dreidimensionalen (3D) Objekten durch Verwenden eines Laserstrahls zu beziehen, um ein feines Metallpulver zu sintern oder zu schmelzen. Diese Verfahren können hierin als Metallpulver-Additivherstellung bezeichnet werden. Genauer bringt das Sintern das Fusionieren (Agglomerieren) von Partikeln eines Pulvers bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Pulvermaterials mit sich, wohingegen das Schmelzen das vollständige Schmelzen von Partikeln eines Pulvers mit sich bringt, um eine feste homogene Masse zu bilden. Die mit dem Lasersintern oder Laserschmelzen verknüpften physikalischen Prozesse enthalten Wärmeübertragung auf ein Pulvermaterial und dann entweder das Sintern oder Schmelzen des Metallpulvermaterials.
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Metallpulver-Additivherstellungsverfahren erzeugen Schichten von geschmolzenem Metall oder eine Agglomeration von Metall über bereits gebildete Schichten von ausgehärtetem Metall. Wo das ausgehärtete Metall unterhalb der neuen Schicht ist, stützt das ausgehärtete Metall die neue Schicht. Eine Herausforderung des additiven Herstellens ist das Aufbauen von Oberflächen, die nicht vertikal sind, wie etwa nicht gestützte horizontale Oberflächen oder vertikal geneigte Oberflächen, d.h. solche, die relativ zur Horizontalen ohne Abstützung darunter geneigt sind. Genauer, stellt das nicht erwärmte Metallpulver etwa dort, wo ein Abschnitt einer neuen Schicht nicht über vorhergehend geformtem, nunmehr gehärtetem Metall ist, eine unzureichende Abstützung bereit und die Schwerkraft beeinträchtigt die Endform des Objekts nachteilig. Um diese Situation zu berücksichtigen, ist es während des Metallpulver-Additivherstellens eines metallischen Objekts bekannt, auch Stützen als Teil des metallischen Objekts zu bilden, um die ansonsten nicht gestützten Oberflächen abzustützen. Zum Beispiel können Stützen in Brennstoffdüsen gebildet sein, wie etwa solchen, die in Gasturbinen verwendet werden, um die Trennung zwischen Teilen aufrechtzuerhalten, z.B. beabstandeten, konzentrischen rohrförmigen Komponenten in enger Nachbarschaft zueinander. In vielen Anwendungen werden die Stützen vom endgültigen metallischen Objekt entfernt, z.B. wenn der Betrieb unter Verwendung des Objekts das Vorhandensein der Stützen nicht erlaubt oder ein Stützbruch einen anderen Schaden verursachen kann. In diesen Situationen werden die Stützen mittels eines Post-AM-Verfahrens entfernt, wie etwa in maschinellen oder chemischen Verfahren. In einigen Fällen wird es den in das metallischen Objekt eingebauten Stützen erlaubt, in dem Objekt zu verbleiben. In diesem Fall kann es Spannungen, wie etwa während des Betriebs des metallischen Objekts beobachteten thermischen Spannungen, erlaubt werden, die Stützen zu brechen. Das Brechen kann zum Beispiel erlaubt werden, um den Betrieb zu verbessern, durch das Ermöglichen weiterer Bewegungsfreiheit während den innerhalb des Objekts beobachteten Spannungen. Es ist bei einigen Anwendungen schwierig sicherzustellen, dass die Stützen dazu eingerichtet sind, während des Betriebs auf eine Weise zu brechen, die das Objekt nicht anderweitig beeinträchtigt. Während diese Herausforderungen in Bezug auf Metallpulver-Additivherstellung beschrieben wurden, sind sie auch in anderer Form des additiven Herstellens vorhanden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein erster Aspekt der Offenbarung stellt eine selbstbrechende Stütze für eine erste und eine zweite Oberfläche eines Objekts bereit, die sich vertikal gegenüberliegen, wobei die selbstbrechende Stütze aufweist: eine erste Basis, die mit der ersten Oberfläche verbunden ist und sich in Richtung zur zweiten Oberfläche erstreckt; eine zweite Basis, die mit der zweiten Oberfläche verbunden ist und sich in Richtung zur ersten Oberfläche erstreckt; und eine selbstbrechende Verbindung, die die erste Basis mit der zweiten Basis verbindet, wobei die selbstbrechende Verbindung einen Körper und eine geschwächte Zone in dem Körper aufweist.
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Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der selbstbrechenden Stütze kann es vorteilhaft sein, dass die erste Oberfläche eine erste vertikal geneigte Oberfläche aufweist und die zweite Oberfläche eine zweite vertikal geneigte Oberfläche aufweist, die vertikal gegenüberliegend zu der ersten vertikal geneigten Oberfläche ist.
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Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der selbstbrechenden Stütze kann es vorteilhaft sein, dass die erste vertikal geneigte Oberfläche eine innere gerundete Oberfläche aufweist und die zweite vertikal geneigte Oberfläche eine äußere gerundete Oberfläche aufweist, die vertikal gegenüber zu der inneren gerundeten Oberfläche ist.
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Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der selbstbrechenden Stütze kann es vorteilhaft sein, dass die erste vertikal geneigte Oberfläche nicht mehr als 45° von der Horizontalen geneigt ist und dass die zweite vertikal geneigte Oberfläche nicht mehr als 45° von der Horizontalen geneigt ist.
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Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der selbstbrechenden Stütze kann es vorteilhaft sein, dass die erste Basis eine erste Seite, die sich im Wesentlichen vertikal erstreckt, und eine zweite Seite, die sich im Wesentlichen rechtwinklig von der ersten vertikal geneigten Oberfläche erstreckt, aufweist, und dass die zweite Basis eine erste Seite, die sich im Wesentlichen vertikal erstreckt und eine zweite Seite, die sich im Wesentlichen rechtwinklig von der zweiten vertikal geneigten Oberfläche erstreckt, aufweist.
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Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der selbstbrechenden Stütze kann es vorteilhaft sein, dass die selbstbrechende Stütze sich im Wesentlichen vertikal zwischen der ersten Basis und der zweiten Basis erstreckt.
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Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der selbstbrechenden Stütze kann es vorteilhaft sein, dass die selbstbrechende Verbindung wenigstens einen Abschnitt aufweist, der sich unter einem Winkel relativ zu der Horizontalen zwischen der ersten Basis und der zweiten Basis erstreckt, wobei der wenigstens eine Abschnitt die geschwächte Zone enthält.
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Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der selbstbrechenden Stütze kann es vorteilhaft sein, dass der Körper der selbstbrechenden Verbindung aufweist: einen ersten Abschnitt, der sich vertikal von der ersten Basis erstreckt; einen zweiten Abschnitt, der sich vertikal von der zweiten Basis erstreckt; und einen dritten Abschnitt, der sich unter einem Winkel von ungefähr 45° relativ zu der Horizontalen zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt erstreckt, wobei der dritte Abschnitt die geschwächte Zone enthält.
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Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der selbstbrechenden Stütze kann es vorteilhaft sein, dass das Objekt ein metallisches Objekt aufweist und dass die geschwächte Zone entweder unter einer Zugkraft oder einer Druckkraft bricht, die während einer Metallpulver-Additivherstellung des die erste und die zweite Oberfläche aufweisenden metallischen Objekts aufgebracht wird.
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Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der selbstbrechenden Stütze kann es vorteilhaft sein, dass jede von der ersten Basis und der zweiten Basis einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt hat.
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Ein zweiter Aspekt der Offenbarung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Objekts bereit, wobei das Verfahren aufweist: Formen des metallischen Objekts mit einer selbstbrechenden Stütze unter Verwendung eines Metallpulver-Additivherstellungsverfahrens, wobei die selbstbrechende Stütze aufweist: eine erste Basis, die mit einer ersten Oberfläche des metallischen Objekts verbunden ist und sich in Richtung zu einer zweiten Oberfläche des metallischen Objekts erstreckt, die vertikal gegenüberliegend zu der ersten Oberfläche ist, eine zweite Basis, die mit der zweiten Oberfläche verbunden ist und sich in Richtung zur ersten Oberfläche erstreckt, und eine selbstbrechende Verbindung, die die erste Basis mit der zweiten Basis verbindet, wobei die selbstbrechende Verbindung einen Körper und eine geschwächte Zone in dem Körper aufweist; und Ermöglichen der selbstbrechenden Verbindung während des Kühlens von wenigstens einem Abschnitt des metallischen Objekts während der Formung zu brechen.
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Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann es vorteilhaft sein, dass die erste Oberfläche eine erste vertikal geneigte Oberfläche aufweist und dass die zweite Oberfläche eine zweite vertikal geneigte Oberfläche aufweist, die vertikal gegenüber zu der ersten vertikal geneigten Oberfläche ist.
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Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann es vorteilhaft sein, dass die erste vertikal geneigte Oberfläche eine innere gerundete Oberfläche aufweist und dass die zweite vertikal geneigte Oberfläche eine äußere gerundete Oberfläche aufweist, die vertikal gegenüberliegend zu der inneren gerundeten Oberfläche ist.
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Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann es vorteilhaft sein, dass die erste vertikal geneigte Oberfläche nicht mehr als 45° von der Horizontalen geneigt ist und dass die zweite vertikal geneigte Oberfläche nicht mehr als 45° von der Horizontalen geneigt ist.
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Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann es vorteilhaft sein, dass die erste Basis eine erste Seite, die sich im Wesentlichen vertikal erstreckt, und eine zweite Seite, die sich im Wesentlichen rechtwinklig von der ersten vertikal geneigten Oberfläche erstreckt, aufweist und dass die zweite Basis eine erste Seite, die sich im Wesentlichen vertikal erstreckt und eine zweite Seite, die sich im Wesentlichen von der zweiten vertikal geneigten Oberfläche erstreckt, aufweist.
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Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann es vorteilhaft sein, dass sich die selbstbrechende Verbindung im Wesentlichen vertikal zwischen der ersten Basis und der zweiten Basis erstreckt.
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Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann es vorteilhaft sein, dass sich die selbstbrechende Verbindung unter einem Winkel relativ zu der Horizontalen zwischen der ersten Basis und der zweiten Basis erstreckt.
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Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann es vorteilhaft sein, dass der Körper der selbstbrechenden Verbindung aufweist: einen ersten Abschnitt, der sich vertikal von der ersten Basis erstreckt; einen zweiten Abschnitt, der sich vertikal von der zweiten Basis erstreckt; und einen dritten Abschnitt, der sich mit einem Winkel von näherungsweise 45° relativ zu der Horizontalen zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt erstreckt, wobei der dritte Abschnitt die geschwächte Zone aufweist.
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Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann es vorteilhaft sein, dass das Ermöglichen der selbstbrechenden Verbindung während des Kühlens von wenigstens einem Abschnitt des metallischen Objekts während des Formens zu brechen das Brechen der geschwächten Zone unter entweder einer Zugkraft oder einer Druckkraft umfasst.
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Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann es vorteilhaft sein, dass das Verfahren außerdem das Belassen der Stütze innerhalb des metallischen Objekts umfasst.
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Die illustrativen Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind dazu bestimmt, die hierin beschriebenen und/oder andere, nicht erläuterte Probleme zu lösen.
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Figurenliste
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Diese und andere Merkmale dieser Offenbarung werden von den nachfolgenden detaillierten Beschreibung verschiedener Aspekte der Offenbarung in Verbindung genommen mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden, die verschiedenen Ausführungsbeispiele der Offenbarung darstellen, in denen:
- 1 ein Blockschaltbild eines additiven Herstellungsverfahrens zeigt, aufweisend ein nicht transitorisches computerlesbares Speichermedium, das Code speichert, der repräsentativ ist für ein Objekt, entsprechend Ausführungsbeispielen der Offenbarung.
- 2 eine Querschnittsansicht eines illustrativen Objekts zeigt, das eine selbstbrechende Stütze entsprechend Ausführungsbeispielen der Offenbarung aufweist.
- 3 eine vergrößerte perspektivische Querschnittsansicht eines Teils des Objekts aus 2 zeigt aufweisend eine selbstbrechende Stütze entsprechend Ausführungsbeispielen der Offenbarung.
- 4 eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer selbstbrechenden Stütze entsprechend Ausführungsbeispielen der Offenbarung zeigt.
- 5 eine Seitenansicht einer selbstbrechenden Stütze entsprechend Ausführungsbeispielen der Offenbarung zeigt.
- 6 eine vergrößerte Vorderansicht einer geschwächten Zone einer selbstbrechenden Stütze entsprechend Ausführungsbeispielen der Offenbarung zeigt.
- 7 eine Seitenansicht eines Teils einer selbstbrechenden Stütze entsprechend Ausführungsbeispielen der Offenbarung zeigt.
- 8 und 9 Seitenansichten einer selbstbrechenden Stütze zeigen und verschiedene Spannungen veranschaulichen, entsprechend Ausführungsbeispielen der Offenbarung.
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Es ist zu beachten, dass die Zeichnungen nicht maßstabsgetreu sind. Die Zeichnungen sind dazu bestimmt, nur typische Aspekte der Offenbarung darzustellen und sollten daher nicht als den Bereich der Offenbarung beschränkend angesehen werden. In den Zeichnungen stellen gleiche Nummern gleiche Elemente zwischen den Zeichnungen dar.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Als ein Anfangsthema, um die vorliegende Offenbarung deutlich zu beschreiben, wird es erforderlich werden, eine bestimmte Terminologie auszuwählen, wenn auf ein Objekt Bezug genommen oder ein Objekt beschrieben wird, das wie hierin beschrieben hergestellt ist. Wenn dies getan wird, wird eine übliche Industrieterminologie verwendet, sofern dies möglich ist, und in einer Weise eingesetzt, die konsistent ist mit ihrer allgemein anerkannten Bedeutung. Solange nichts anderes angegeben ist, sollte einer derartigen Terminologie eine breite Interpretation zukommen, die konsistent mit dem Kontext der vorliegenden Anmeldung und dem Schutzbereich der beigefügten Ansprüche ist. Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass häufig auf ein bestimmtes Objekt unter Verwendung von mehreren unterschiedlichen oder sich überschneidenden Begriffen Bezug genommen werden kann. Was hierin beschrieben werden kann als ein einziges Teil, kann in einem anderen Kontext das Bestehen aus mehreren Komponenten umfassen und in Bezug genommen werden. Alternativ kann, was hierin beschrieben werden kann als mehrere Komponenten umfassend, anderswo als einziges Teil in Bezug genommen werden.
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Außerdem können einige beschreibende Ausdrücke regelmäßig hierin verwendet werden und es sollte sich als hilfreich erweisen, diese Ausdrücke zu Beginn dieses Abschnitts zu definieren. Diese Ausdrücke und ihre Definitionen, solange nichts anderes angegeben ist, sind wie folgt. Ein „metallisches Objekt“, wie es hierin verwendet wird, kann irgendein materielles Ding aufweisen, das ein Metall oder eine Metalllegierung enthält, das durch ein Metallpulver-Additivherstellungsverfahren hergestellt ist, und ein „Objekt“ kann irgendein materielles Ding aufweisen, das durch additive Herstellungsverfahren geformt ist, vielleicht unter Verwendung von anderen Materialien als Metall, wie etwa, aber nicht beschränkt auf Polymere und keramische Zusammensetzungen. Näherungsweise Formulierungen, wie sie hierin durchgängig durch die Beschreibung und die Ansprüche verwendet werden, können angewandt werden, um irgendeine quantitative Darstellung zu modifizieren, die zulässigerweise variieren kann, ohne zu einer Veränderung der Basisfunktion zu führen, auf die sie sich bezieht. Dementsprechend kann ein Wert, der durch einen Ausdruck oder Ausdrücke wie etwa „etwa“, „ungefähr“ und „im Wesentlichen“ modifiziert ist, nicht auf den präzise angegebenen Wert beschränkt sein. In wenigstens einigen Beispielen kann die näherungsweise Formulierung der Genauigkeit eines Instruments zum Messen des Wertes entsprechen. Hier und durchgängig durch die Beschreibung und die Ansprüche können Bereichsgrenzen kombiniert und/oder ausgetauscht werden, wobei Bereiche identifiziert sind und alle Unterbereiche, die darin enthalten sind, umfassen, solange im Zusammenhang oder der Formulierung nichts anderes angegeben ist. „Ungefähr“, wenn es sich auf einen bestimmten Wert eines Bereichs bezieht, bezieht sich auf beide Werte und kann, solange keine andere Abhängigkeit von der Genauigkeit des Instruments besteht, das den Wert misst, +/- 10% des angegebenen Werts / der angegebenen Werte angeben. „Im Wesentlichen vertikal“ kann +/- 5% von der horizontalen sein und „im Wesentlichen rechtwinklig“ kann angewandt auf zwei Strukturen 85° bis 95° sein. „Im Wesentlichen dreieckig“ kann sich auf eine Form beziehen, die drei Hauptseiten hat, aber mit einiger Abweichung in der Form der Seiten oder der Anzahl von zusätzlich bereitgestellten Nebenseiten. Wie es hierin verwendet wird, sind die Einzahlformen „ein/eine/einer“ und „der/die/das“ dazu bestimmt, auch die Mehrzahlformen zu umfassen, solange im Kontext nicht deutlich etwas anderes angegeben ist. Es versteht sich außerdem, dass die Begriffe „weist auf“ und/oder „aufweisend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Abläufe, Elemente und/oder Objekte angeben, aber nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen von einem oder mehreren anderen Merkmalen, Zahlen, Schritten, Abläufen, Elementen, Objekten und/oder Gruppen davon ausschließt. „Optional“ bedeutet, dass das nachfolgend beschriebene Ereignis oder der nachfolgend beschriebene Umstand auftreten kann oder nicht und dass die Beschreibung Beispiele enthält, in denen das Ereignis auftritt und Beispiele, in denen es nicht auftritt.
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Wie es oben angegeben ist, stellt die Offenbarung eine selbstbrechende Stütze für eine erste und eine zweite Oberfläche bereit, die sich vertikal gegenüberliegen, während des additiven Herstellens eines Objekts und insbesondere eines metallischen Objekts, das unter Verwendung einer Metallpulver-Additivherstellung geformt wurde. Ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Objekts ist auch beschrieben.
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Um ein Beispiel eines additiven Herstellungsverfahrens zu veranschaulichen, zeigt 1 eine schematische Ansicht / Blockschaltbildansicht eines illustrativen rechnergeschützten additiven Herstellungssystems 100 zur Erzeugung eines Objekts 102. In diesem Beispiel ist das System zum DMLM eingerichtet, einem Metallpulver-Additivherstellungsverfahren. Es versteht sich, dass allgemein Lehren dieser Offenbarung gleichermaßen auf andere Arten von additiver Herstellung anwendbar sind. Ein Objekt 102 ist als ein doppelwandiges Turbinenelement veranschaulicht; jedoch versteht es sich, dass das additive Herstellungsverfahren sogleich angepasst werden kann, um irgendein Objekt herzustellen. In einigen hierin beschriebenen Beispielen weist das Objekt 102 eine Brennstoffdüse (2) auf. Das AM-System 100 weist allgemein ein rechnergestütztes Additivherstellungssteuersystem 104 (AM-Steuersysem) und einen AM-Drucker 106 auf. Das AM-System 100, wie es beschrieben werden wird, führt einen Code 120 aus, der einen Satz von computerausführbaren Befehlen aufweist, der das Objekt 102 definiert, um das Objekt unter Verwendung des AM-Druckers 106 physisch zu erzeugen. Jedes AM-Verfahren kann unterschiedliche Ausgangsmaterialien, z.B. in der Form von feinkörnigem Metallpulver, verwenden, von denen ein Vorrat in einer Kammer 110 des AM-Druckers 106 vorgehalten werden kann. Im vorliegenden Fall kann das Objekt 102 aus einem Metall oder einer Metalllegierung hergestellt werden. Wie es veranschaulicht ist, kann ein Applikator 112 eine dünne Schicht aus Ausgangsmaterial 114 erzeugen, die als unbearbeiteter Grund ausgebreitet wird, aus der jede nachfolgende Schicht des endgültigen Objekts erzeugt werden wird. In dem gezeigten Beispiel fusioniert ein Laser- oder Elektronenstrahl 116 Partikel für jede Schicht, wie es durch den Code 120 definiert ist. Verschiedene Teile des AM-Druckers 106 können sich bewegen, um das Hinzufügen von jeder neuen Lage zu ermöglichen, z.B. kann sich eine Bauplattform 118 absenken und/oder die Kammer 110 und/oder der Applikator 112 können nach jeder Lage aufsteigen.
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Ein AM-Steuersystem 104 ist auf einem Computer 130 als Computerprogrammcode implementiert gezeigt. In diesem Umfang ist der Computer 130 gezeigt, aufweisend einen Speicher 132, einen Prozessor 134, eine Eingabe-/Ausgabeschnittstelle 136 (I/O-Schnittstelle) und einen Bus 138. Außerdem ist der Computer 130 in Kommunikation mit einer externen I/O-Einrichtung/-Ressource 139 und einem Speichersystem 141 gezeigt. Allgemein führt der Prozessor 134 einen Computerprogrammcode, wie etwa das AM-Steuersystem 104, aus, der in dem Speicher 132 und/oder dem Speichersystem 141 gespeichert ist, unter Befehlen des Codes 120, die repräsentativ sind für das Objekt 102. Während es Ausführens des Computerprogrammcodes kann der Prozessor 134 Daten in/aus dem Speicher 132, dem Speichersystem 141, der I/O-Einrichtung 139 und/oder dem AM-Drucker 106 lesen und/oder schreiben. Der Bus 138 stellt eine Kommunikationsverbindung zwischen jedem dieser Objekte in dem Computer 130 bereit und die I/O-Einrichtung 139 kann irgendeine Einrichtung aufweisen, die einen Benutzer in die Lage versetzt, mit dem Computer 140 zu interagieren (z.B. Tastatur, Zeigeeinrichtung, Anzeige, usw.). Der Computer 130 ist nur repräsentativ für verschiedene mögliche Kombinationen von Hardware und Software. Zum Beispiel kann der Prozessor 134 eine einzige Prozessoreinheit aufweisen oder über eine oder mehrere Prozessoreinheiten an einem oder mehreren Orten verteilt sein, z.B. auf einem Client und einem Server. Gleichermaßen kann sich der Speicher 132 und/oder das Speichersystem 141 an einem oder mehreren physischen Orten befinden. Der Speicher 132 und/oder das Speichersystem 141 kann irgendeine Kombination von verschiedenen Arten von nicht-transitorischen computerausführbaren Speichermedien aufweisen, einschließlich magnetischen Medien, optischen Medien, Zugriffsspeicher (RAM), Lesespeicher (ROM), usw. Der Computer 130 kann irgendeine Art von Recheneinrichtung aufweisen, wie etwa einen Netzwerkserver, einen Desktopcomputer, einen Laptop, eine handhaltbare Einrichtung, ein Mobiltelefon, einen Pager, einen persönlichen Datenassistenten, usw.
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Additive Herstellungsverfahren beginnen mit einem nicht-transitorischen computerlesbaren Speichermedium (z.B. Speicher 132, Speichersystem 141, usw.), das Code 120 speichert, der repräsentativ ist für das Objekt 102. Wie angegeben, enthält der Code 120 einen Satz von computerausführbaren Befehlen, die das Objekt 102 definieren, der verwendet werden kann, um das Objekt beim Ausführen des Codes durch das System 100 physisch zu erzeugen. Zum Beispiel kann der Code 120 ein präzise definiertes 3D-Modell des Objekts 102 enthalten und kann von irgendeiner großen Vielfalt von rechnerunterstützten Konstruktionssoftwaresystemen (CAD-Softwaresystemen), wie etwa AutoCAD®, TurboCAD®, DesignCAD 3D Max. In dieser Hinsicht kann der Code 120 irgendein bekanntes oder später entwickeltes Datenformat sein. Zum Beispiel kann der Code 120 in Standard Tessellation Language (STL) sein, die für Stereolithographie-CAD-Programme von 3D-Systemen geschaffen wurde, oder eine Additivherstellungsdatei (AMF), die ein Standard der American Society of Mechanical Engineers (ASME) ist, die ein auf der Extendable Markup Language (XML) basierendes Format hat, das eingerichtet ist, um irgendeiner CAD-Software zu ermöglichen, die Form und die Zusammensetzung von irgendeinem dreidimensionalen Objekt zu beschreiben, das auf irgendeinem AM-Drucker herzustellen ist. Der Code 120 kann zwischen unterschiedlichen Formaten übersetzt werden, in einen Satz von Datensignalen umgewandelt werden, als ein Satz von Datensignalen empfangen und in Code umgewandelt werden, gespeichert werden, usw., wie es notwendig ist. Der Code 120 kann eine Eingabe in das System 100 sein und kann von einem Teiledesigner, einem Dienstleister für geistiges Eigentum (IP), einer Designfirma, dem Betreiber oder Besitzer des Systems 100 oder von anderen Quellen stammen. In jedem Fall führt das AM-Steuersystem 100 den Code 120 aus, der das Objekt 102 in eine Folge von dünnen Scheiben unterteilt, der es unter Verwendung des AM-Druckers 106 in aufeinanderfolgenden Schichten von Pulver aufbaut. In dem DMLM-Beispiel wird jede Schicht geschmolzen oder gesintert in die exakte Geometrie, die durch den Code 120 definiert ist und mit der vorhergehenden Schicht fusioniert. Nachfolgend kann das Objekt 102 irgendeiner Vielfalt von Endbearbeitungsverfahren unterworfen werden, z.B. einer geringfügigen maschinellen Bearbeitung, einer Versiegelung, einem Polieren, einem Zusammenbau mit einem anderen Teil, usw.
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2 zeigt ein illustratives Objekt 102, das in der Lage ist, eine selbstbrechende Stütze 170 entsprechend den Lehren dieser Offenbarung einzusetzen. 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Brennstoffdüsensystems 140, das zumindest drei Brennstoffdüsen 142 aufweist, die sich von einem zentralen Bereich 144 weg erstrecken, indem sie verbunden sind. Es ist angegeben, dass das Brennstoffdüsensystem 140 bei anderen Ausführungsbeispielen eine oder zwei Düsen aufweisen kann. Jede Brennstoffdüse 142 enthält ein Paar von konzentrischen Rohren 146, 148 (äußeres 146, inneres 148), die Verteiler 150, 152 für Brennstoff und Luft erzeugen. Das Brennstoffdüsensystem 140 kann unter Verwendung eines AM-Verfahrens mit konventionellen, entfernbaren vertikalen Stützen 153 geformt werden, die eine oder mehrere äußere Rohre 146 stützen. Wie es veranschaulicht ist, enthält das innere Rohr 148 eine erste Oberfläche 154, die vertikal gegenüberliegend zu einer zweiten Oberfläche 156 des äußeren Rohrs 146 ist. Wie es hierin verwendet wird, gibt „vertikal gegenüberliegend“ an, dass eine Oberfläche wenigstens einen Abschnitt davon aufweist, der vertikal oberhalb wenigstens eines Abschnitts der anderen Oberfläche ist. Bei dem vorliegenden Beispiel erstreckt sich jede Brennstoffdüse 142 bei ungefähr 45° relativ zur Horizontalen. Dementsprechend enthält die erste Oberfläche 154 eine erste vertikal geneigte Oberfläche 160 und die zweite Oberfläche 156 enthält eine zweite vertikal geneigte Oberfläche 162 vertikal gegenüberliegend zu der ersten vertikal geneigten Oberfläche 160 und sich bei etwa 45° erstreckend. Wie es hierin verwendet wird, gibt „vertikal geneigt“ an, dass die Oberfläche weder vertikal noch horizontal ist und sich unter einem Winkel verschieden von 90° relativ zur Horizontalen erstreckt.
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Wie es am besten in der perspektivischen Querschnittsansicht eines Endes einer Brennstoffdüse 142 in 3 gezeigt ist, stellt die Rohranordnung eine erste vertikal geneigte Oberfläche 160 aufweisend eine innere gerundete Oberfläche 166 und eine zweite vertikal geneigte Oberfläche 162 aufweisend eine äußere gerundete Oberfläche 168 bereit, die vertikal gegenüberliegend zu der inneren gerundeten Oberfläche 166 ist. Wie es in dem AM-Gebiet verstanden wird, sind die vertikal am meisten geneigten Oberflächen aufgrund von Gründen der Druckbarkeit nicht mehr als 45° von der Horizontalen. Dementsprechend kann die erste vertikal geneigte Oberfläche 160 nicht mehr als 45° von der Horizontalen geneigt sein und die zweite vertikal geneigte Oberfläche kann nicht mehr als 45° von der Horizontalen geneigt sein. Es ist zu betonen, dass das Brennstoffdüsensystem 140 nur illustrativ ist und es wird hierin offensichtlich, dass die Lehren der Offenbarung auf vertikal geneigte Oberflächen und andere vertikal gegenüberliegende Oberflächen anwendbar ist, von denen eine oder mehrere horizontal sein können. Siehe z.B. die 7 und 8 für horizontale, vertikal gegenüberliegende Oberflächen.
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Während die Rohre 146, 148 an ausgewählten Stellen (an der Bauplattform 118 (1) und an Verbindungspunkten und Düsenenden) verbunden sind, um die Konzentrizität aufrecht zu erhalten, ist es vorteilhaft, dafür eine zusätzliche Abstützung bereitzustellen. Zu diesem Zweck zeigen 2 bis 3 auch selbstbrechende Stützen 170 entsprechend Ausführungsbeispielen der Offenbarung. Es ist zu betonen, dass die selbstbrechende Stütze 170, während sie an zwei bestimmten Stellen in 2 gezeigt ist, irgendwo bereitgestellt werden kann, wo es in irgendeinem Objekt 102, das durch Metallpulver-AM-Verfahren geformt ist, als vorteilhaft angesehen wird. Irgendeine Anzahl von selbstbrechenden Stützen 170 kann eingesetzt werden. Jede selbstbrechende Stütze 170 kann zu dem Code 120 (oder irgendeinem vorhergehenden oder nachfolgendem Codeformat) für das Objekt 102 an irgendeiner gewünschten Stelle hinzugefügt werden und kann gemeinsam mit dem Objekt 102 gedruckt werden.
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4 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer selbstbrechenden Stütze 170 und 5 zeigt eine Seitenansicht der selbstbrechenden Stütze 170. Entsprechend Ausführungsbeispielen der Offenbarung enthält die selbstbrechende Stütze 170 eine erste Basis 172, die mit der ersten Oberfläche 154 verbunden ist und sich in Richtung zu der zweiten Oberfläche 156 erstreckt. Außerdem enthält die selbstbrechende Stütze 170 eine zweite Basis 174, die mit der zweiten Oberfläche 156 verbunden ist und sich in Richtung zu der ersten Oberfläche 154 erstreckt. Eine selbstbrechende Verbindung 180 verbindet die erste Basis 170 mit der zweiten Basis 172 und stellt eine Abstützung zwischen den Oberflächen 154, 156 bereit. Wie es genauer hierin beschrieben werden wird, enthält die selbstbrechende Verbindung 180 einen Körper 182 und eine geschwächte Zone 184 in dem Körper, die das Brechen der Verbindung 180 ermöglicht, wenn eine ausrechende Zug- oder Druckbelastung darauf einwirkt.
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Jede Basis 142, 174 kann irgendeine Form annehmen, die erforderlich ist, um die selbstbrechende Stütze 170 zu stützen oder zu positionieren, wo das Abstützen von Oberflächen während der Metallpulver-Additivherstellung gewünscht ist. Bei einem Beispiel, das in 5 gezeigt ist, hat die erste Basis 172 eine erste Seite 190, die sich im Wesentlichen vertikal erstreckt, und eine zweite Seite 192, die sich im Wesentlichen rechtwinklig von der ersten Oberfläche 154 weg erstreckt. In 5 enthält die erste Oberfläche 154 eine vertikal geneigte Oberfläche 160. Gleichermaßen hat die zweite Basis 174 eine erste Seite 194, die sich im Wesentlichen vertikal erstreckt, und eine zweite Seite 195, die sich im Wesentlichen rechtwinklig von der zweiten Oberfläche 156 weg erstreckt. In 5 enthält die zweite Oberfläche 156 eine vertikal geneigte Oberfläche 162. Auf diese Weise stellt die Stütze 170 eine vertikale Abstützung für die vertikal geneigten Oberflächen 160, 162 dazwischen bereit, die eine Last vertikal leitet.
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Die geschwächte Zone 184 kann irgendeine Art von physischer Struktur enthalten, die in der Lage ist, den Körper 180 unter einer gewünschten Spannung zu brechen. In dem gezeigten Beispiel in der vergrößerten Vorderansicht von 6, enthält die geschwächte Zone 184 eine Anzahl von im Querschnitt dünneren Bereichen 186 in dem Körper 182, verglichen mit den verbleibenden Bereichen des Körpers 182. Die geschwächten Zonen 184 können irgendeine Vielfalt von Formen enthalten, z.B. Winkel, Radien, usw. Entsprechend Ausführungsbeispielen der Offenbarung, im Unterschied zu konventionellen Techniken, ist die geschwächte Zone 184 dazu eingerichtet, selbst zu brechen, d.h. ohne menschliche Intervention, aufgrund von thermischen Spannungen, die während des Metallpulver-AM auftreten. Das heißt, dass das Brechen der selbstbrechenden Stützen 170 durch thermische Spannungen realisiert wird, die durch das Objekt 102 während der Absorption von großen Mengen von Wärme aus dem Schmelzen/Sintern der Metallpulverschichten durch einen Laser-/Elektronenstrahl während des Metallpulver-AM-Verfahrens akkumuliert werden. Insbesondere findet das Brechen der Stützen 170 am häufigsten während der Abkühlphase des hergestellten Objekts 102 statt. Das Schrumpfen des Materials während der Abkühlphase verursacht das Erzeugen von Zug- oder Druckspannungen, was eine thermische Bewegungskraft zur Folge hat. Die Kraft, die das Brechen verursacht, kann eine Zugkraft Ft und/oder eine Druckkraft Fc sein. In jedem Fall bricht diese Kraft die geschwächte Zone 184. Die selbstbrechenden Stützen 170 benötigen keinerlei zusätzliche Behandlung nach dem Entfernen des Objekts 102 aus dem AM-System 100. Die selbstbrechenden Stützen 170 sind während des Metallpulver-AM-Verfahrens noch stabil, z.B., DMLM, und können die Oberflächen 154, 156 ohne Weiteres abstützen. Auf diese Weise steht das Brechen der selbstbrechenden Stützen 170 während dem Metallpulver-AM im Kontrast zu konventionellen Stützen, die entweder während des Betriebs des Objekts brechen oder entfernt oder modifiziert werden müssen, z.B. durch maschinelles Bearbeiten nach dem AM-Verfahren. Die selbstbrechenden Stützen 170 können an ihrer Stelle verbleiben.
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Die selbstbrechende Stütze 170 kann eine Vielfalt von alternativen Formen annehmen, die basierend auf einer Anzahl von Faktoren ausgewählt werden kann, wie etwa, aber nicht beschränkt auf: irgendeine Anzahl von Eigenschaften der ersten und zweiten Oberflächen 154, 156, z.B. der Abstand dazwischen, Relativwinkel, jeweilige Winkel, usw.; die gewünschte Menge der erforderlichen Abstützung; und/oder die gewünschte Spannung, die erforderlich ist, um die Stütze zu brechen. In 5, wie es angegeben ist, erstreckt sich die selbstbrechende Verbindung 180 im Wesentlichen vertikal zwischen der ersten Basis 172 und der zweiten Basis 174. Wie es in der Seitenansicht aus 7 gezeigt ist, kann die erste Oberfläche 154 eine vertikal geneigte Oberfläche 160 aufweisen, während die zweite Oberfläche 156 im Wesentlichen horizontal ist. Wie es in 7 gezeigt ist, enthält der Körper 182 der selbstbrechenden Verbindung 180 bei einem anderen Ausführungsbeispiel wenigstens einen Abschnitt 196, der sich unter einem Winkel (α) relativ zu der Horizontalen erstreckt, z.B. bis zu ungefähr 45°, zwischen der ersten Basis 172 und der zweiten Basis 174. Der Abschnitt 196 enthält die geschwächte Zone 184. Nochmals, eine Zugkraft Ft und/oder eine Druckkraft Fc kann die geschwächte Zone 194 brechen.
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Bei einem in den Seitenansichten der 8 und 9 gezeigten Ausführungsbeispiel sind sowohl die erste Oberfläche 154 als auch die zweite Oberfläche 156 horizontal, d.h. vertikal gegenüberliegend aber mit keinen Winkeln gegenüber der Horizontalen. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Körper 182 der selbstbrechenden Verbindung 180 einen ersten Abschnitt 200, der sich vertikal von der ersten Basis 172 erstreckt, und einen zweiten Abschnitt 202, der sich vertikal von der zweiten Basis 174 erstreckt, und einen dritten Abschnitt 204 aufweisen, der sich unter einem Winkel β zum Beispiel von ungefähr 45°, relativ zur Horizontalen zwischen dem ersten Abschnitt 200 und dem zweiten Abschnitt 202 erstreckt. Der dritte Abschnitt 204 enthält die geschwächte Zone 184. Wie es in den 8 und 9 gezeigt ist, erzeugt diese Konfiguration eine Verschiebung d, die beiträgt zum Verursachen des Brechens an der geschwächten Zone 184, unabhängig davon, ob eine Zugkraft Ft ausgeübt wird, wie es in 8 gezeigt ist, oder eine Druckkraft Fc ausgeübt wird, wie es in 9 gezeigt ist. Das heißt, die geschwächte Zone 184 bricht entweder unter einer Zugkraft Ft oder einer Druckkraft Fc, die während der Metallpulver-Additivherstellung des Objekts 102 (1) aufweisend die erste und die zweite Oberfläche 154, 156, aufgebracht wird.
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Die erste Basis 172 und die zweite Basis 174 können irgendeine Form aufweisen, die erforderlich ist, um sicherzustellen, dass sie sicher mit den Oberflächen 154, 156 gebildet sind. Bei hierin dargestellten Ausführungsbeispielen hat jede Basis einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt (mit der Ausnahme, wo sich der Körper 180 erstreckt). Dort, wo die Oberflächen 154, 156 z.B. nicht planar sind, können die Basen 172, 174 eine Vielfalt von alternativen Formen annehmen, um eine sichere Ausbildung davon mit den Oberflächen zu beinhalten. Es ist zu beachten, dass während die Basen 172, 174 in 5 im Allgemeinen vertikal ausgerichtet sind, sie auch vertikal versetzt sein können, wie in den 7-9, derart, dass eine Abstützung, aber auch ein einfaches Brechen der geschwächten Zone 184 ermöglicht wird.
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Die geschwächte Zone 184 kann auch eine Vielfalt von alternativen Formen annehmen. Zum Beispiel enthält in den 8 und 9 eine Seite der geschwächten Zone 184 einen Radius 198, um das Erzeugen eines Überhangs auf der einen Seite zu vermeiden.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines Objekts 102 und insbesondere eines metallischen Objekts, entsprechend Ausführungsbeispielen der Offenbarung kann das Formen eines Objekts 102 mit einer selbstbrechenden Stütze 170 umfassen, wie es hierin beschrieben ist, unter Verwendung eines Metallpulver-Additivherstellungsverfahrens (wie in 1). Wie es angegeben ist, kann eine erste Basis 172 mit einer ersten Oberfläche 154 des Objekts verbunden sein und sich in Richtung der zweiten Oberfläche 156 des Objekts erstrecken, die vertikal gegenüber der ersten Oberfläche ist. Die zweite Basis 174 kann mit der zweiten Oberfläche 156 verbunden sein und sich in Richtung zu der ersten Oberfläche erstrecken. Außerdem kann die selbstbrechende Verbindung 180 die erste Basis 172 mit der zweiten Basis 174 verbinden und einen Körper 182 und eine geschwächte Zone 184 in dem Körper aufweisen. Das Verfahren kann das Erlauben der selbstbrechenden Verbindung 170 zu brechen umfassen während des Abkühlens von wenigstens einem Abschnitt des Objekts 102 während der Herstellung. Das Verfahren kann auch die Stütze 170 innerhalb des Objekts 102 beinhalten, so dass sie während der Verwendung des Objekts vorhanden ist.
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Die korrespondierenden Strukturen, Materialien, Aktionen und Äquivalente von allen Mitteln oder Schritten plus Funktionselementen in den nachfolgenden Einsprüchen sind dazu bestimmt, irgendeine Struktur, irgendein Material oder irgendeine Aktion zum Ausführen der Funktion in Kombination mit anderen beanspruchten Elementen zu enthalten, wie es spezifisch beansprucht ist. Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung wurde zum Zwecke der Veranschaulichung und der Beschreibung dargelegt, ist aber nicht dazu bestimmt, erschöpfend oder auf die Offenbarung in der offenbarten Form beschränkend zu sein. Viele Modifikationen und Abwandlungen werden Durchschnittsfachleuten auf dem Gebiet offenbar ohne von dem Bereich und dem Gedanken der Offenbarung abzuweichen. Das Ausführungsbeispiel wurde ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Offenbarung und die praktische Anwendung bestmöglich zu erläutern und anderen Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet in die Lage zu versetzen, die Offenbarung für verschiedene Ausführungsbeispiele mit verschiedenen Modifikationen zu verstehen, wie sie für die bestimmte angedachte Verwendung geeignet sind.
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Eine selbstbrechende Stütze 170 für eine erste und eine zweite Oberfläche 154, 156, die sich vertikal gegenüberliegen, während der additiven Herstellung eines Objekts 102 ist offenbart. Die selbstbrechende Stütze 170 enthält eine erste Basis 172, die mit einer ersten Oberfläche 154 verbunden ist, und sich in Richtung zu einer zweiten Oberfläche 156 erstreckt; eine zweite Basis 174 ist mit der zweiten Oberfläche 156 verbunden und erstreckt sich in Richtung zu der ersten Oberfläche 154; und eine selbstbrechende Verbindung 180 verbindet die erste Basis 172 mit der zweiten Basis 174, wobei die selbstbrechende Verbindung 180 einen Körper 182 und eine geschwächte Zone 184 in dem Körper 182 aufweist. Die selbstbrechende Stütze 170 bricht während des Abkühlens des Objekts 102 ohne äußere Einwirkung und kann in dem Objekt 102 verbleiben.
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Bezugszeichenliste
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| Rechner gestütztes Additivherstellungssystem |
100 |
| Objekt |
102 |
| AM-Steuersystem |
104 |
| AM-Drucker |
106 |
| Kammer |
110 |
| Applikator |
112 |
| Ausgangsmaterial |
114 |
| Elektronenstrahl |
116 |
| Aufbauplattform |
118 |
| Code |
120 |
| Computer |
130 |
| Speicher |
132 |
| Prozessor |
134 |
| Eingabe-/Ausgabeschnittstelle, I/O-Schnittstelle |
136 |
| Bus |
138 |
| I/O-Einrichtung |
139 |
| Brennstoffdüsensystem |
140 |
| Speichersystem |
141 |
| Brennstoffdüse |
142 |
| zentraler Bereich |
144 |
| äußeres Rohr |
146 |
| inneres Rohr |
148 |
| Verteiler |
150 |
| Verteiler |
152 |
| entfernbare vertikale Stützen |
153 |
| erste Oberfläche |
154 |
| zweite Oberfläche |
156 |
| erste vertikal geneigte Oberfläche |
160 |
| zweite vertikal geneigte Oberfläche |
162 |
| innere abgerundete Fläche |
166 |
| äußere abgerundete Fläche |
168 |
| selbstbrechende Stütze |
170 |
| erste Basis |
172 |
| zweite Basis |
174 |
| selbstbrechende Verbindung |
180 |
| Körper |
182 |
| geschwächte Zone |
184 |
| im Querschnitt dünnerer Bereich |
186 |
| erste Seite |
190 |
| zweite Seite |
192 |
| erste Seite |
194 |
| zweite Seite |
195 |
| Abschnitt |
196 |
| Radius |
198 |
| erster Abschnitt |
200 |
| zweiter Abschnitt |
202 |
| dritter Abschnitt |
204 |
