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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fertigungsmaschine für additive Fertigungsverfahren sowie ein additives Fertigungsverfahren.
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Additive Fertigungsverfahren sind Herstellverfahren bei denen Werkstoff zur Erzeugung eines Bauteils schichtweise zugeführt wird.
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Additive Fertigungsverfahren haben zunächst vermehrt im Bereich des „rapid prototyping“ zur Herstellung von Modellen und Prototypen Anwendung gefunden. In den letzten Jahren wurden additive Fertigungsverfahren unter der Bezeichnung „3D-Druck“ vermehrt für die Herstellung von Bauteilen verwendet.
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Bei den 3D-Druck-Verfahren können zwischen zwei Hauptverfahren unterschieden werden. Einerseits existieren die sogenannten Pulverbettverfahren, bei denen pulverförmiges Fertigungsmaterial mittels elektromagnetischer Strahlung gesintert wird und anschließend eine weitere Pulverschicht aufgetragen wird.
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Ferner existieren Verfahren, bei denen geschmolzenes Fertigungsmaterial extrudiert wird und somit ein gewünschtes Bauteil schichtweise aufgebaut wird.
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Die additiven Fertigungsverfahren haben den besonderen Vorteil, dass beliebige Bauteile mit einer Fertigungsmaschine hergestellt werden können, so dass beispielsweise unterschiedliche Ersatzteile auch in entlegenen Regionen ohne umfangreichen Maschinenpark gefertigt werden können.
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Ein Einsatzgebiete, in dem die bekannten additiven Fertigungsverfahren ebenfalls von besonderem Interesse sind, ist die Raumfahrt, da beispielsweise auf einer Raumstation beliebige Gegenstände, insbesondere Ersatzteile hergestellt werden können.
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Probleme bei der Raumfahrt werden insbesondere durch die reduzierte oder fehlende Schwerkraft hervorgerufen. Additive Fertigungsverfahren mit dem Pulverbett stellen eine besondere Schwierigkeit dar, da das Aufbringen des Pulvers aufgrund der reduzierten oder fehlenden Schwerkraft schwierig oder unmöglich ist.
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Daher gehen erste Entwicklungen für 3D-Drucker, die in der Raumfahrt eingesetzt werden sollen, in Richtung der Schmelzschichtverfahren (fused deposition modeling, FDM).
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Das Schmelzschichtverfahren unterliegt jedoch einigen Begrenzungen wie beispielsweise der Auflösung und darüber hinaus sind für die Durchführung dieses Verfahrens Filamente des Fertigungsmaterials notwendig, die beim Einsatz in der Raumfahrt mitgeführt werden müssen oder beispielsweise an eine Raumstation geliefert werden müssen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Fertigungsmaschine für additive Fertigungsverfahren sowie ein additives Fertigungsverfahren bereitzustellen, das in vorteilhafter Weise in der Raumfahrt bzw. in Bereichen mit reduzierter Schwerkraft oder Schwerelosigkeit eingesetzt werden kann.
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Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 12.
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Die erfindungsgemäße Fertigungsmaschine für additive Fertigungsverfahren weist eine geschlossene Fertigungskammer mit einem Fertigungsraum zur Aufnahme von pulverförmigen Fertigungsmaterial auf. In der Fertigungskammer ist eine Fertigungsplattform angeordnet. Ferner ist eine Energiequelle zur Bereitstellung von Sinterenergie zum Sintern des Fertigungsmaterials vorgesehen. Mittels der Energiequelle ist zwischen der Energiequelle und der Fertigungsplattform angeordnetes Fertigungsmaterial sinterbar. Die Fertigungsplattform ist in der Fertigungskammer bewegbar. Durch das Anordnen des pulverförmigen Fertigungsmaterials in der Fertigungskammer wird verhindert, dass dieses unkontrolliert aufgrund von Schwerelosigkeit umherfliegen kann. Der Fertigungsraum wird vollständig mit dem pulverförmigen Fertigungsmaterial gefüllt. Die Fertigungskammer kann vollständig den Fertigungsraum bilden oder der Fertigungsraum kann ein Teil der Fertigungskammer sein. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass in der Fertigungskammer eine bewegliche Wand angeordnet ist, die den Fertigungsraum begrenzt und über die bewegliche Wand das Fertigungsmaterial, das den Fertigungsraum vollständig füllt, gepresst werden kann. Mit anderen Worten: Bei diesem Ausführungsbeispiel würde das Fertigungsmaterial die Fertigungskammer nur teilweise füllen. Anstelle der beweglichen Wand kann auch eine alternative Pressvorrichtung vorgesehen sein.
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Zwischen der Energiequelle und der Fertigungsplattform angeordnetes Fertigungsmaterial wird im Betrieb der erfindungsgemäßen Fertigungsmaschine mit Energie beaufschlagt und somit gesintert. Das gesinterte Material haftet in einem ersten Schritt an der Fertigungsplattform an und kann anschließend durch die Bewegung der Fertigungsplattform in der Fertigungskammer zusammen mit der Fertigungsplattform bewegt werden. Bei der Bewegung der Fertigungsplattform in der Fertigungskammer gelangt pulverförmiges Fertigungsmaterial in den Bereich zwischen dem an der Fertigungsplattform anhaftenden gesinterten Material und der Energiequelle und kann gesinter werden, so dass die nächste Schicht des herzustellenden Bauteils erstellt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen additiven Fertigungsverfahren auf Basis eines Pulverbettes wird das Fertigungsmaterial somit nicht vor jedem Sinterschritt aufgetragen, sondern es befindet sich die ganze Zeit in der Fertigungskammer und durch Umverteilung des pulverförmigen Fertigungsmaterials in der Fertigungskammer gelangt das Fertigungsmaterial an die entsprechende Stelle, an der es gesintert wird. Somit kann durch Schwerelosigkeit umherfliegenden Fertigungsmaterial vermieden werden. Im Rahmen der Erfindung wird das Merkmal, dass zwischen der Energiequelle und der Fertigungsplattform Fertigungsmaterial angeordnet ist, auch verstanden, dass das Fertigungsmaterial nicht unmittelbar an diese beiden Teile angrenzt, sondern auch beispielsweise dass schon gesintertes Material zwischen dem Fertigungsmaterial und der Fertigungsplattform angeordnet sein kann. Auch kann zwischen der Energiequelle und dem Fertigungsmaterial eine Wand der Fertigungskammer bzw. des Fertigungsraums angeordnet sein.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Energiequelle eine Strahlungsqulle für elektromagnetische Strahlung ist und mittels der Strahlungsquelle in dem Strahlungsweg der elektromagnetischen Strahlung zu der Fertigungsplattform angeordnetes Fertigungsmaterial bestrahlbar ist. Das Vorsehen einer Energiequelle, die als Strahlungsquelle ausgebildet ist, hat den Vorteil, dass mittels der vor der Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung eine sehr genaue Energieverteilung in dem pulverförmigen Fertigungsmaterial erzeugt werden kann und somit Teile mit einer sehr hohen Genauigkeit und Auflösung geschaffen werden können.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Fertigungskammer einen für die elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle transparenten Wandbereich aufweist, der an dem Fertigungsraum angrenzt, wobei die Strahlungsquelle außerhalb der Fertigungskammer angeordnet ist und die elektromagnetische Strahlung durch den transparenten Wandbereich strahlt. Unter transparenten Wandbereich wird ein Bereich der Wand verstanden, der einen relativen Transmissionsgrad für die elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle von mindestens 90 % aufweist. Durch den transparenten Wandbereich, der beispielsweise als Fenster in einer Wand der Fertigungskammer ausgebildet sein kann, kann die Strahlungsquelle in vorteilhafter Weise außerhalb der Fertigungskammer angeordnet werden, wodurch die Zugänglichkeit zu der Strahlungsquelle vereinfacht ist. Die elektromagnetische Strahlung strahlt durch den transparenten Wandbereich in die Fertigungskammer und somit den Fertigungsraum.
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Grundsätzlich kann aber auch vorgesehen sein, dass die Strahlungsquelle in der Fertigungskammer angeordnet ist oder in diese hineinragt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Fertigungskammer mindestens eine Wand aus einem flexiblen Material, vorzugsweise einem elastisch verformbaren Material, aufweist, die an den Fertigungsraum angrenzt. Die Wand aus flexiblen Material ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass bei der Bewegung der Fertigungsplattform sich das pulverförmige Fertigungsmaterial bewegen kann, indem das Volumen des Fertigungsraums durch Verformung der Wand vergrößert wird, so dass die Fertigungsplattform vereinfacht in den pulverförmigen Fertigungsmaterial bewegt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass die Fertigungskammer mindestens eine bewegliche Wand aufweist, die an den Fertigungsraum angrenzt. Die Wand kann beispielsweise translatorisch bewegt werden. Auch auf diese Weise kann das Volumen des Fertigungsraum vergrößert werden, wodurch die Bewegung der Fertigungsplattform vereinfacht ist.
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Grundsätzlich ist es bei entsprechend fließfähigen und pulverförmigen Fertigungsmaterial nicht notwendig das Volumen des Fertigungsraum zu verändern. Die Volumenänderung vereinfacht jedoch grundsätzlich die Bewegung der Plattform. Das Volumen des Fertigungsraums kann auch temporär auf andere Art und Weise verändert werden. Beispielsweise kann in der Fertigungskammer bzw. in dem Fertigungsraum eine volumenveränderbare Vorrichtung angeordnet sein, deren Volumen vor der Bewegung der Fertigungsplattform verringert wird und nach der Bewegung der Fertigungsplattform vergrößert wird. Auf diese Weise kann in vorteilhafter Weise die Plattform bewegt werden und durch die Volumenvergrößerung das pulverförmige Fertigungsmaterial an die gewünschte Stelle in dem Strahlungsweg der elektromagnetischen Strahlung gepresst werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Antriebseinrichtung für die Fertigungsplattform außerhalb der Fertigungskammer angeordnet ist und über ein Antriebsgetriebe, vorzugsweise eine Antriebsstange, mit der Fertigungsplattform verbunden ist. Auf diese Weise ist die Antriebseinrichtung in vorteilhafter Weise zugänglich und die Fertigungsplattform mit konstruktiv einfachem Aufwand bewegbar.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass eine Antriebseinrichtung für die Fertigungsplattform in der Fertigungskammer angeordnet ist und über ein Antriebsgetriebe mit der Fertigungsplattform verbunden ist. Selbstverständlich sind auch andere Antriebe der Fertigungsplattform denkbar.
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Die Strahlungsquelle kann eine Laserlichtquelle sein. Für eine Vielzahl von Fertigungsmaterialen, die für additive Fertigungsverfahren geeignet sind, ist Laserlicht eine vorteilhafte Energiequelle zur Bereitstellung der Sinterenergie.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Strahlungsquelle eine Infrarotlichtquelle oder eine Lichtquelle für sichtbares Licht ist. Je nach Fertigungsmaterial ist somit die notwendige Lichtquelle verfügbar. Die Strahlungsquelle kann vorzugsweise eine Projektionsfunktion besitzen. Die Projektionsfunktion ermöglicht, dass ein Querschnitt des gewünschten Bauteils auf das zu sinternde Fertigungsmaterial projiziert wird und somit dieser Querschnitt gesintert wird, wohingegen das umgebene pulverförmige Fertigungsmaterial unverändert verbleibt. Auf diese Weise ist eine Fertigung von Bauteilen in besonders vorteilhafter Weise und mit hoher Auflösung möglich.
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Bei der erfindungsgemäßen Fertigungsmaschine kann ferner ein Gaseinlass in die Fertigungskammer vorgesehen sein über die Schutzgas eingeleitet werden kann. Auf diese Weise kann das pulverförmige Fertigungsmaterial von dem Schutzgas umgeben werden, so dass auch reaktives Fertigungsmaterial verwendet werden kann.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fertigungsmaschine einen Auslass für das pulverförmige Fertigungsmaterial aufweist, wobei vorzugsweise eine Saugleitung an dem Auslass anschließbar ist. Nach der Fertigung des Bauteils über das Sintern kann das unveränderte pulverförmige Fertigungsmaterial durch den Auslass aus der Fertigungskammer entfernt werden, bevor das fertige Bauteil entnommen wird. Durch die Saugleitung kann in besonders vorteilhafter Weise das unveränderte pulverförmige Fertigungsmaterial aus der Fertigungskammer entfernt werden, indem dieses ausgesaugt wird.
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Die Erfindung sieht ferner ein additives Fertigungsverfahren mit folgenden Schritten vor:
- a) Bereitstellen von pulverförmigen Fertigungsmaterial in einem Fertigungsraum einer Fertigungskammer, wobei der Fertigungsraum vollständig gefüllt ist
- b) Sintern von pulverförmigen Fertigungsmaterial mittels einer Energiequelle, wobei das pulverförmige Fertigungsmaterial, das gesintert wird, zwischen einer in der Fertigungskammer angeordneten Fertigungsplattform und der Energiequelle angeordnet ist, wobei das gesinterte Fertigungsmaterial an der Fertigungsplattform anhaftet,
- c) Bewegen der Fertigungsplattform, wobei pulverförmiges Fertigungsmaterial zwischen das in Schritt b) gesinterte Fertigungsmaterial und die Energiequelle strömt,
- d) Sintern des in Schritt c) zwischen das gesinterte Fertigungsmaterial und die Energiequelle geströmten pulverförmigen Fertigungsmaterial,
- e) Wiederholen der Schritte c) und d) bis zur Fertigstellung eines Bauteils.
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Das erfindungsgemäße additive Fertigungsverfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise die Herstellung von gesinterten Bauteilen. Durch die Verwendung einer mit pulverförmigen Fertigungsmaterial gefüllten Fertigungsraum lässt sich in besonders vorteilhafter Weise ein Pulverbett-basiertes additives Fertigungsverfahren in der Raumfahrt verwenden, ohne dass es zu Schwierigkeiten aufgrund der Schwerelosigkeit kommen kann. Das erfindungsgemäße additive Fertigungsverfahren wird vorzugsweise mit der erfindungsgemäßen Fertigungsmaschine durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vorzugsweise vor, dass im Schritt c) das Sintern mittels elektromagnetischer Strahlung einer als Strahlungsquelle ausgebildeten Energiequelle erfolgt, wobei die Strahlungsquelle in der Fertigungskammer angeordnet ist oder die Strahlung durch einen für die elektromagnetische Strahlung transparenten Wandabschnitt der Fertigungskammer in den Fertigungsraum gestrahlt wird. Über elektromagnetische Strahlung lässt sich in besonders vorteilhafter Weise und sehr genau Energie in der pulverförmige Fertigungsmaterial transportieren. Bei dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäße Verfahrens bei dem die Energiequelle als Strahlungsquelle ausgebildet ist und die elektromagnetische Strahlung durch einen transparenten Wandabschnitt der Fertigungskammer strahlt, gelangt in Schritt c) das pulverförmige Fertigungsmaterial zwischen dem in Schritt b) gesinterten Fertigungsmaterial und dem transparenten Wandabschnitt.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bedeutet das Merkmal gemäß dem das pulverförmige Fertigungsmaterial zwischen der Energiequelle und der Fertigungsplattform angeordnet ist oder dort hinströmt nicht, dass das pulverförmige Fertigungsmaterial direkt benachbart zu der Fertigungsplattform und der Energiequelle ist, sondern es umfasst auch Situationen, bei denen zwischen den pulverförmigen Fertigungsmaterial und einem oder beider dieser Teile weitere Teile, wie beispielsweise bereits gesintertes Fertigungsmaterial oder auch ein Wandabschnitt, beispielsweise der transparente Wandabschnitt der Fertigungskammer, angeordnet ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren ist vorzugsweise vorgesehen, dass in Schritt c) bei oder vor der Bewegung der Fertigungsplattform mindestens sich eine Wand der Fertigungskammer, die an den Fertigungsraum angrenzt, bewegt oder verformt oder eine in der Fertigungskammer vorgesehene Pressvorrichtung betätigt wird. Auf diese Weise kann das Volumen des Fertigungsraums kurzzeitig vergrößert werden, so dass eine Bewegung der Fertigungsplattform vereinfacht durchführbar ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass nach Schritt e) das nicht gesinterte pulverförmige Fertigungsmaterial aus dem Fertigungsraum gesaugt wird. Somit kann das in Schritt e) gefertigte Bauteil auf einfache Art und Weise aus der Fertigungskammer entnommen werden, ohne dass das nicht gesinterte pulverförmige Fertigungsmaterial beispielsweise aufgrund der Schwerelosigkeit unkontrolliert umherfliegt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens ist vorgesehen, dass das in Schritt a) bereitgestellte pulverförmige Fertigungsmaterial zumindest teilweise aus überschüssigem oder ausschüssigem zuvor gesintertem Material besteht, das vor der Bereitstellung gemahlen wird. Mit anderen Worten: Falsch produzierte oder zu viel produzierte Teile oder auch zuvor produzierte, verschlissene Teile aus gesintertem Material können wieder verwertet werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens in der Raumfahrt, da das für die Durchführung des erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren notwendige Fertigungsmaterial zumindest zum Teil vor Ort hergestellt werden kann. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass bei der Stellung eines Ersatzteils das zu ersetzende Teil aus gesintertem Material gemahlen wird und aus diesem das neue Ersatzteil zumindest teilweise hergestellt wird.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren die Erfindung näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine erfindungsgemäße Fertigungskammer zu Beginn eines ersten Schritts eines Sinterprozesses,
- 2 die in 1 dargestellte Fertigungsmaschine nach dem ersten Schritt des Sinterprozess,
- 3 die in 1 dargestellte Fertigungsmaschine zu Beginn eines zweiten Schritts des Sinterprozesses.
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In 1 bis 3 ist eine erfindungsgemäße Fertigungsmaschine zur Durchführung eines additiven Fertigungsverfahrens schematisch im Schnitt dargestellt.
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Die Fertigungsmaschine 1 weist eine geschlossene Fertigungskammer mit einem Fertigungsraum 3 auf, die von mehreren Wänden 3a umgeben ist. In dem Fertigungsraum 3 ist pulverförmiges Fertigungsmaterial 5 angeordnet, wobei der Fertigungsraum 3 komplett mit dem pulverförmigen Fertigungsmaterial 5 gefüllt ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel füllt der Fertigungsraum 3 die Fertigungskammer komplett aus.
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Die erfindungsgemäße Fertigungsmaschine 1 weist ferner eine Energiequelle in Form einer Strahlungsquelle 7 für elektromagnetische Strahlung 7a auf. Die Strahlungsquelle 7 ist außerhalb der Fertigungskammer im Bereich eines für die elektromagnetische Strahlung 7a transparenten Wandabschnittes 3b der Fertigungskammer angeordnet. Durch den transparenten Wandabschnitt 3b kann die elektromagnetische Strahlung 7a in den Fertigungsraum 3 gelangen.
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In dem Fertigungsraum 3 ist ferner eine Fertigungsplattform 9 angeordnet, die in dem Fertigungsraum 3 über eine Antriebseinrichtung 11 translatorisch bewegt werden kann. Hierzu ist die Antriebseinrichtung 11 über ein Antriebsgetriebe 13 in Form einer Antriebsstange mit der Fertigungsplattform 9 verbunden.
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In 1 ist die Fertigungsmaschine zu Beginn des erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens dargestellt. Zwischen der Fertigungsplattform 9 und dem transparenten Wandabschnitt 3b befindet sich eine Schicht 5a des pulverförmigen Fertigungsmaterials 5. Durch die Bestrahlung der Schicht 5a des pulverförmigen Fertigungsmaterials 5 mit der elektromagnetischen Strahlung wird die Schicht 5a gesintert und haftet an der Plattform 9 an. Der Zustand nach diesem ersten Sinterschritt ist in 2 dargestellt.
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Im nächsten Schritt wird die Plattform 9 über die Antriebseinrichtung 11 in der Fertigungskammer bewegt. Das gesinterte Material 15, dass an der Plattform 9 anhaftet, wird von der Plattform 9 mitgeführt. Pulverförmiges Fertigungsmaterial 5 strömt um die Fertigungsplattform 9 herum und in den Zwischenraum zwischen dem gesinterten Material 15 und dem transparenten Wandabschnitt 3b. Hierdurch wird eine neue zu sinternde Schicht 5a gebildet, die durch die Bestrahlung mittels der elektromagnetischen Strahlung 7a gesintert wird und an dem gesintertem Material 15 anhaftet. Dieser zweite Sinterschritt ist in 3 dargestellt. Durch die Wiederholung der Schritte kann auf vorteilhafter Weise ein Bauteil erstellt werden.
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Eine der Wände 3a der Fertigungskammer, die an dem Fertigungsraum 3 angrenzt, kann als bewegliche Wand 3c ausgebildet sein. Unmittelbar vor der Bewegung der Fertigungsplattform 9 wird die bewegliche Wand 3c nach außen bewegt, um das Volumen der Fertigungskammer 3 zu vergrößern. Auf diese Weise lässt sich die Fertigungsplattform 9 vereinfacht in der Fertigungskammer 3 bewegen, da das pulverförmige Fertigungsmaterial 5 sich besser in dem Fertigungsraum 3 bewegen kann. Nach der Bewegung der Fertigungsplattform 9 wird die bewegliche Wand 3c in ihre Ursprungsposition zurückbewegt. Die bewegliche Wand 3c kann beispielsweise federbeaufschlagt in Richtung ihrer Grundposition ausgebildet sein, wobei durch den Druck des pulverförmigen Fertigungsmaterials die Wand bei der Bewegung der Fertigungsplattform 9 nach außen gedrückt werden kann und nach Beendigung der Bewegung der Fertigungsplattform 9 sich über die Federkraft in ihre Grundposition zurückbewegt. Auch kann die bewegliche Wand über eine nicht dargestellte Antriebsvorrichtung angetrieben werden.
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Die bewegliche Wand 3c kann auch alternativ als elastisch verformbare Wand ausgebildet sein.
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Die erfindungsgemäße Fertigungsmaschine 1 ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise ein additives Fertigungsverfahren im Bereich geringer Schwerkraft oder Schwerelosigkeit, da das pulverförmige Fertigungsmaterial 5 nicht unkontrolliert umherfliegen kann.
