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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines Werkstückes durch additive Fertigung, eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens und ein Werkstück, das mittels eines solchen Verfahrens hergestellt ist.
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Stand der Technik
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Mittels generativer Fertigungsverfahren ist es möglich, verschiedenste dreidimensionale Bauteile mit komplexer Geometrie herzustellen.
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Beim sogenannten 3D-Drucken werden beispielsweise dreidimensionale Werkstücke schichtweise aufgebaut. Der Aufbau erfolgt computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen (CAD). Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Schmelz- und Härtungsprozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle. 3D-Drucker werden in der Industrie und der Forschung eingesetzt. Daneben gibt es auch Anwendungen im Heim- und Unterhaltungsbereich sowie in der Kunst.
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Der 3D-Druck ist ein generatives beziehungsweise additives Fertigungsverfahren. Die wichtigsten Techniken des 3D-Druckens sind das selektive Laserschmelzen und das Elektronenstrahlschmelzen für Metalle und das selektive Lasersintern für Polymere, Keramik und Metalle, die Stereolithografie und das Digital Light Processing für flüssige Kunstharze und das Polyjet-Modeling sowie das Fused Deposition Modeling für Kunststoffe und teilweise Kunstharze.
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Ein weiteres generatives Verfahren umfasst punktuelles Aufschmelzen und Erstarren eines Werkstoffes. Bei dieser Art von Verfahren wird Metallpulver oder Metalldraht schichtweise aufgeschmolzen und erstarrt, sodass ein dreidimensionales Bauteil generiert werden kann. Durch die lokal begrenzte Energieeinbringung mittels Laserstrahl ist die Größe des ausgebildeten Schmelzbades gering.
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Somit besteht die Möglichkeit, filigrane Strukturen zu erzeugen. Entsprechende Verfahren werden als Laser Engineered Net Shaping (LENS), als Direct Metal Deposition (DMD), als Laser Additive Manufacturing (LAM), als Selective Laser Melting (SLM), als Laser Metal Fusion (LFM) oder als Laser Metal Deposition (LMD) kommerziell vertrieben.
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Selektives Laser-Sintern (SLS) ist ein Verfahren, um räumliche Strukturen durch Sintern aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff herzustellen. Lasersintern ist ein generatives Schichtbauverfahren, bei dem das Werkstück Schicht für Schicht aufgebaut wird. Durch die Wirkung der Laserstrahlen können so beliebige dreidimensionale Geometrien auch mit Hinterschneidungen erzeugt werden, z.B. Werkstücke, die sich in konventioneller mechanischer oder gießtechnischer Fertigung nicht herstellen lassen.
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Beim selektiven Laser-Sintern (SLS/LMF) wird auf einer Arbeitsfläche (Bauplattform) eine Schicht Pulverwerkstoff aufgetragen. Das lose Pulver wird durch einen Laserstrahl punktuell aufgeschmolzen. Dabei werden die Pulverpartikel je nach verwendetem Werkstoff in der Schicht und mit der darunter liegenden Schicht verbunden. Für die Herstellung metallischer Bauteile können zwei grundsätzliche Entwicklungsrichtungen unterschieden werden. Neben der direkten Verfestigung metallischer Pulverwerkstoffe durch Laserstrahlung (direktes Metall-Laser-Sintern) hat sich bereits frühzeitig die Herstellung metallischer Bauteile über eine Kombination aus SLS von Kunstsoff ummanteltem Metallpulver mit nachträglicher thermischer Behandlung (IMLS) etabliert.
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Beim direkten Metall-Laser-Sintern (DMLS) werden entweder ein- oder mehrkomponentige Metallwerkstoffe verwendet. Insbesondere werden dabei DMLS-Mehrkomponentenpulver verwendet, die aus verschiedenen Legierungselementen bestehen. Die im Pulver enthaltene niedrig schmelzende Komponente wird durch einen Laserstrahl aufgeschmolzen und umfließt die hochschmelzende Komponente, die als Strukturgeber dient.
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Beim Electron Beam Melting (EBM) entspricht der Prozessablauf im Wesentlichen dem der Laser-basierten Verfahren. Loses Metallpulver oder ein Draht wird dabei punktuell aufgeschmolzen und erstarrt anschließend in der gewünschten Kontur. Die dafür erforderliche Energie wird durch einen Elektronenstrahl eingebracht. Das Verfahren erfolgt meistens in einer Inertgas-gefluteten Unterdruck-Kammer.
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Demgemäß werden bei derartigen Fertigungsverfahren typischerweise ein Pulverbett, eine Pulverzuführung oder eine Drahtzuführung verwendet, wobei diese Ausgangsmaterialien dann mittels Laserstrahl, Elektronenstrahl, Plasma-/Lichtbogen aufgeschmolzen und anschließend verfestigt werden. Weiterhin werden bei derartigen Fertigungsverfahren Inert- oder Aktivgase als Prozessgase verwendet.
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Bei Verwendung einer Inertgasatmosphäre verbleibt die Zusammensetzung des aufgebrachten Ausgangsmaterials im Wesentlichen unverändert, nachdem sie mittels einer Wärmequelle aufgeschmolzen wurde. Durch die Aufschmelzung, Erstarrung und Wärmeeinflusszonen werden lediglich die metallurgischen Eigenschaften gegenüber dem ursprünglichen Material verändert.
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Die Prozessgasatmosphäre bei Vorrichtungen zum generativen Fertigen, wie z.B. bei Laser-Schmelz-Vorrichtungen (LMF(laser metal fusion)-Vorrichtungen), wird kontinuierlich durch Hinzufügen von sauberem Prozessgas gereinigt, um Verunreinigungen unterhalb eines erlaubten Schwellenwerts zu halten.
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Weiterhin wird bei diesem Verfahren während der schichtweisen Fertigung auf bereits fertiggestellte Schichten ein Pulver aufgetragen. Durch das Aufschmelzen und Erstarren kann in den bereits fertiggestellten Schichten Hitze gestaut werden, die nicht mittels Konvektion entfernbar ist.
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In jüngster Zeit ist die Fragestellung aktuell geworden, wie man in ein Werkstück, das durch additive Fertigung hergestellt wird, temperaturempfindliche Komponenten wie Glasfasern oder andere Wärmesensoren einbringen kann, um z.B. eine Temperatur und/oder Ausdehung des Werkstückes insbesondere während dessen späterer Benutzung zu messen. Glasfasern sind in der Regel hitzebeständig, weisen jedoch häufig eine Ummantelung oder Beschichtung auf, die temperaturempfindlich ist. Um eine engmaschige Temperaturüberwachung in einem derartigen Bauteil zu ermöglichen, ist zum Beispiel vorgeschlagen worden, mäanderförmige Glasfasern zu verbauen, wobei z.B. zur Temperaturmessung eine Ausdehnung dieser Glasfasern erfasst werden kann.
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Dies erfolgt beispielsweise, indem das Werkstück beim schichtweisen Aufbau mittels additiver Fertigung mit einer z.B. in einer Schicht oder mehreren übereinanderliegenden Schichten ausgebildeten Mulde versehen wird, in der die Glasfaser angeordnet werden kann. Danach wird die Glasfaser in der Mulde platziert. Anschließend wird ein pulverförmiger Werkstoff über der Glasfaser aufgebracht und an seiner Oberfläche geschmolzen, so dass der darunterliegende Werkstoff pulverförmig bleibt und die Glasfaser von dem Wärmeeintrag wirksam isoliert. Anschließend kann der verbliebene pulverförmige Werkstoff aus der Mulde ausgeblasen werden. Nachteilig hierbei ist, dass durch das Ausblasen ein Hohlraum um die Glasfaser entsteht, der die Glasfaser gegenüber dem Werkstück isoliert, wodurch spätere Messungen verfälscht werden können.
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Es ist auch vorgeschlagen worden, zunächst ein Edelstahlrohr an der Stelle zu platzieren, an dem die Glasfaser angeordnet werden soll und nach der Fertigung des Werkstücks die Glasfaser in das Edelstahlrohr seitlich hineinzuschieben. Nachteilig hierbei ist, dass die Glasfaser aufgrund der begrenzten Biegbarkeit nur um eine begrenzte Anzahl von Kurven in einem derartigen Rohr geschoben werden kann, erfahrungsgemäß etwa vier, was häufig nicht ausreicht, um die gewünschte mäanderförmige Anordnung der Glasfaser über das gesamte Werkstück zu erzielen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines Werkstückes durch additive Fertigung die temperaturempfindliche Komponente während der Erzeugung wenigstens einer der Schichten selektiv gekühlt. Hierdurch kann eine Hitzebeschädigung der temperaturempfindlichen Komponente während des Vorgangs der additiven Fertigung des Werkstückes wirksam vermieden werden, während gleichzeitig ermöglicht wird, dass die temperaturempfindliche Komponente eng von dem Werkstoff umschlossen wird. Hierdurch wird für spätere Verwendungen eine bessere Temperaturleitfähigkeit zwischen temperaturempfindlicher Komponente und dem Werkstoff erzielt, wodurch Messungen, z.B. im Zusammenhang mit einer Temperaturüberwachung des Werkstücks während seiner Verwendung, mit großer Genauigkeit durchführbar sind.
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Bevorzugt werden die Schichten in einer Prozesskammer erzeugt, wobei die selektive Kühlung mittels eines Prozessgases durchgeführt wird, das in der Prozessskammer, insbesondere in Form eines Prozessgasstroms, bereitgestellt wird. Dies erweist sich als vorteilhaft, da das Prozessgas, das zur Vermeidung von Verunreinigungen ohnehin vorhanden ist, zusätzlich zur selektiven Kühlung einer temperaturempfindlichen Komponente verwendet werden kann. Vorteilhaft erfolgt die selektive Kühlung unter Verwendung eines Gebläses zum Zuführen von Prozessgas auf einen Punkt bzw. einen Ort in der Nähe der zu verbauenden temperaturempfindlichen Komponente. Zur Gewährleistung einer wirksamen Kühlung kann das Gebläse z.B. derart angeordnet werden, dass ein Strom mit gekühltem Prozessgas auf einen Bereich unmittelbar neben der temperaturempfindlichen Komponente gerichtet wird Insbesondere kann hierbei eine Schicht des pulverförmigen Werkstoffes zunächst nur auf einen Teil des Werkstückes aufgebracht werden. In der Folge kann das Gebläse auf einen nicht mit pulverförmigem Werkstoff bedeckten Teil neben oder in der Umgebung der temperaturempfindlichen Komponente gerichtet sein. Die durch den Prozessgasstrom bereitgestellte Kühlung wirkt hierbei auf die temperaturempfindliche Komponente. Es kann somit ein Schmelzen des Werkstoffes mittels einer Wärmequelle in der Umgebung der temperaturempfindlichen Komponente eingeleitet werden, ohne dass diese beschädigt wird.
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Es sei angemerkt, dass das als Kühlgas eingesetzte Prozessgas auch ohne gezielte Zuführung an einen bestimmten Punkt oder Ort der Komponente in die Prozesskammer eingebracht werden kann. Mit einer derartigen ungerichteten Einleitung von Prozessgas kann z.B. das Werkstück als Ganzes gekühlt werden.
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Bevorzugt wird das Prozessgas außerhalb der Prozesskammer gekühlt. Die Bereitstellung eines gekühlten Gases, z.B. eines Gases in verflüssigter Form, ermöglicht ein einfaches Handling innerhalb der Prozesskammer.
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In einer alternativ und/oder zusätzlich einsetzbaren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Kühlung der temperaturempfindlichen Komponente mittels selektiver Kühlung einer Bauplattform, auf welcher das Werkstück schichtweise hergestellt wird. Diese Kühlung kann ebenfalls mit Prozessgas erfolgen, wobei z.B. zusätzlich oder alternativ möglich ist, die Bauplattform mit flüssigem Stickstoff, der hierbei nicht in die Prozesskammer eintritt, zu kühlen.
Insbesondere wird die temperaturempfindliche Komponente als wenigstens eine Glasfaser, insbesondere beschichtete Glasfaser, in oder auf wenigstens einer Schicht des herzustellenden Werkstückes bereitgestellt werden. Dies ist vorteilhaft, da insbesondere mäanderförmig angeordnete Glasfasern das Ziel einer guten und flächendeckenden Temperatur- und Ausdehnungskontrolle über das gesamte Werkstück ermöglichen.
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Bevorzugt wird die temperaturempfindliche Komponente als wenigstens ein Sensor in oder auf der wenigstens einen Schicht bereitgestellt. Ein derartiger Sensor weist eine geringe Ausdehnung auf und kann insbesondere an besonders kritischen Stellen eines Werkstückes mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in besonders einfacher Weise positioniert werden. Als Beispiele in diesem Zusammenhang geeigneter Sensoren seien Widerstands-Temperatur-Sensoren (RTDs) sowie Thermokopplungssensoren oder GPS-Sensoren genannte. Es sind als temperaturempfindliche Komponenten auch stromführende Kabel denkbar, um z.B. einen schwer zugänglichen Sensor mit Strom zu versorgen, oder welche als Heizdraht einsetzbar sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist als Wärmequelle ein Laser und/oder eine Elektronenstrahlquelle vorgesehen. Derartige Wärmequellen sind in unterschiedlichen Leistungsklassen verfügbar und erweisen sich in der Praxis als zuverlässig.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens eingerichtet und ausgebildet ist.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Werkstück vorgeschlagen, dass nach dem obigen Verfahren hergestellt ist.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehende genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung wirdanhand einiger Ausführungsbeispiele in den Zeichnungen schematisch dargestellt und im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäß herzustellenden Werkstücks in einer bevorzugten Ausführungsform zusammen mit einigen Komponenten der Vorrichtung gemäß 1, und
- 3 zeigt die schematische seitliche Schnittansicht aus 2 nach Fertigstellung einer dritten Schicht des herzustellenden Werkstückes.
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Im Folgenden wird eine Vorrichtung 1 zum erfindungsgemäßen generativen Fertigen eines dreidimensionalen Werkstücks 6 beschrieben.
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Die Vorrichtung ist als Laser-Schmelz-Vorrichtung 1 ausgebildet. Die Laser-Schmelz-Vorrichtung 1 umfasst eine Prozesskammer 2, die durch eine Kammerwandung 3 nach außen hin abgeschlossen ist und einen Prozessraum 4 definiert. Die Prozesskammer 2 dient als Bauraum für ein schichtweise herzustellendes dreidimensionales Werkstück 6.
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In der Prozesskammer 2 ist ein nach oben offener Behälter 13 angeordnet. In dem Behälter 13 ist eine Bauplattform 5 vorgesehen, auf der das zu fertigende Werkstück 6 hergestellt wird. Die Bauplattform 5 weist eine (schematisch dargestellte) Höhenverstelleinrichtung 5a auf, mittels der die Bauplattform 5 in vertikaler Richtung derart einstellbar ist, dass eine Oberfläche einer jeweils zu schmelzenden und zu verfestigenden Schicht des Werkstücks 6 in einer Arbeitsebene 12 liegt.
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Ein Vorratsbehälter 7 ist zur Aufnahme eines schmelz- und anschließend verfestigbaren pulverförmigen Werkstoffs 7a, der als Ausgangsmaterial für das herzustellende Werkstück 6 dient, vorgesehen.
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Weiterhin ist eine Auftrageinrichtung 8 zum schichtweisen Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffs 7a auf die Bauplattform 5 bzw. auf das in der Fertigung befindliche Werkstück 6 vorgesehen. Eine solche Auftrageinrichtung 8 bzw. ein solcher Recoater ist in horizontaler Richtung parallel zu der Arbeitsebene 12 beweglich und hier als Rolle ausgebildet Alternativ zu einer derartigen Rolle als Recoater kann auch ein Schieber verwendet werden, z.B. in Form einer beweglichen Wand. Diese Wand schiebt Pulver, welches aus einem Vorratsbehälter oben herausragt, in einer dünnen Schicht über das schrittweise abgesenkte Werkstück und den Pulverüberschuss in einen dahinter befindlichen Schacht zur Entsorgung.
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Ferner ist ein Laser 9 zum Erzeugen eines Laserstrahls 9a als Wärmequelle vorgesehen. Ein von dem Laser 9 erzeugter Laserstrahl 9a wird über eine Umlenkeinrichtung 16 umgelenkt und durch eine Fokussiereinrichtung (nicht dargestellt) auf einen vorbestimmten Punkt in oder unmittelbar unterhalb der Arbeitsebene 12 fokussiert. Die Umlenkeinrichtung 16 ist verschwenkbar und/oder verschiebbar gelagert, so dass der auftreffende Laserstrahl 9a auf einen beliebigen Punkt auf der Oberfläche des herzustellenden Werkstücks 6 gerichtet werden kann. Hierdurch ist es möglich, den aufgebrachten pulverförmigen Werkstoff 7a an jedem gewünschten Punkt der Oberfläche des Werkstückes 6 zum Schmelzen zu bringen.
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Die Vorrichtung weist ferner eine Prozessgaszuführeinrichtung 11 auf, mittels der Prozessgas in die Prozesskammer 2 einbringbar ist. Das Prozessgas ist insbesondere dafür vorgesehen, Verunreinigungen, die während des Herstellungsprozesses entstehen, zu minimieren bzw. von dem herzustellenden Werkstück zu entfernen.
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Die Prozessgaszuführeinrichtung 11 weist einen Vorratsbehälter 18 für das Prozessgas auf, und ist über einen bzw. mehrere Leitungen 11a mit in die Prozesskammer 12 mündenden Einlässen 15 verbunden. Wenigstens einer der Einlässe kann mit einem rein schematisch dargestellten Gebläse 17 ausgebildet sein. Das Gebläse ist, ähnlich wie die Umlenkeinrichtung 16, verschwenkbar und/oder verschiebbar gelagert. Hierdurch ist es zum Beispiel möglich, einen Prozessgasstrom selektiv auf ausgewählte Stellen auf der Oberfläche des herzustellenden Werkstückes 6 zu richten, wie weiter unten weiter erläutert wird. Das Prozessgas kann in der Prozessgaszuführeinrichtung 11 gekühlt werden oder beispielsweise in dem Prozessgasvorratsbehälter 18 in bereits gekühltem Zustand bereitgestellt werden.
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Es können ferner eine oder mehrere Düsen als weitere Einlässe 15 zum weiteren Zuführen von Prozessgas in die Prozesskammer 2 vorgesehen sein.
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Als Prozessgas ist vorzugsweise ein Inertgas vorgesehen, das eine höhere Dichte und/oder Wärmekapazität als Luft aufweist, wie z.B. Argon. Hierdurch kann das Auftreten von ungewollten Effekten bzw. Ereignissen wie etwa Oxidation, Brand oder Explosion vermieden werden.
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Die Vorrichtung weist wenigstens eine Steuereinrichtung 14 auf, mit der insbesondere die Prozessgaszuführeinrichtung 11, insbesondere das Gebläse 17 und/oder der Laser 9 und/oder die Umlenkvorrichtung 16 und/oder die Auftrageinrichtung 8 und/oder die Höheneinstellvorrichtung 5a der Bauplattform 5 steuerbar ist bzw. sind.
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Die Steuereinrichtung 14 ist beispielsweise ausgebildet, um das Gebläse 17 derart zu steuern, dass eine rotatorische und eine translatorische Bewegung einer Gebläsemündung 17a ermöglicht wird, wodurch ein Prozessgasstrom auf jede gewünschte Stelle der Werkstückoberfläche gerichtet werden kann.
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Eine vorteilhafte Anwendung, bei der ein herzustellendes Werkstück 6 selektiv gekühlt werden kann, wird nun insbesondere unter Bezugnahme auf 2 im Einzelnen erläutert.
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In 2 sind auf der Bauplattform 5 zwei bereits fertiggestellte, übereinanderliegende Schichten eines herzustellenden Werkstückes dargestellt und mit 6a, 6b bezeichnet. Man erkennt, dass in diesen Schichten 6a, 6b eine Mulde 6c ausgebildet ist. In dieser Mulde 6c, die sich zum Beispiel mäanderförmig durch das Bauteil 6 erstreckt, soll eine Glasfaser 100 angeordnet werden. Es sei davon ausgegangen, dass die Glasfaser 100 eine temperaturempfindliche Ummantelung 101 aufweist.
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Die Glasfaser 100 soll durch Auftragen einer dritten Schicht in 2 (gestrichelt dargestellt) 6d in das Werkstück eingebettet werden, so dass insgesamt eine im Werkstück 6 eingebettete Glasfaser 100 bereitgestellt werden kann. Zu diesem Zwecke ist (in der Darstellung der 2) zunächst nur links von der Glasfaser 100 ein pulverförmiger Werkstoff 110 aufgebracht, der mittels des von dem Laser 9 erzeugten und dem Umlenkelement 16 abgelenkten Laserstrahls 9a geschmolzen werden soll. Die Schmelztemperatur dieses Werkstoffes ist allerdings so hoch, dass die Ummantelung 101 hierdurch ohne Vorsehen einer Kühlung beschädigt würde.
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Zur Gewährleistung einer derartigen Kühlung ist die Gebläsemündung 17a des Gebläses 17 derart angeordnet, dass ein Strom 21 mit gekühltem Prozessgas auf einen Bereich des Werkstückes 6 (in der Darstellung der 2) unmittelbar rechts von der Glasfaser 100 gerichtet werden kann. Durch den derart orientierten Prozessgasstrom 21 kann durch Wärmeleitung innerhalb der Schichten 6a, 6b eine ausreichende Kühlung der Glasfaser 100, insbesondere der Ummantelung 101 während des Schmelzens des pulverförmigen Werkstoffes 110 durch den Laserstrahl 9a gewährleistet werden. Der Prozessgasstrom 21 ist ferner derart ausgerichtet, dass es hierbei nicht zu einem Wegblasen bzw. einer Verwirbelung des pulverförmigen Werkstoffes 110 kommt. Nach vollständiger Aushärtung des in der 2 dargesetllten pulverförmigen Werkstoffes kann dann weiterer pulverförmiger Werkstoff auf den in 2 rechts von der Glasfaser befindlichen Bereich auf der Schicht 6b aufgebracht werden, und entsprechend durch den Laserstrahl 9a geschmolzen werden. Die Kühlung mittels Prozessgasstrom erfolgt hierbei entsprechend von der linken Seite.
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3 zeigt die schematische seitliche Schnittansicht aus 2 nach Fertigstellung der dritten Schicht 6d des herzustellenden Werkstückes. Es ist erkennbar, dass die Glasfaser 100 mit Ummantelung 101 vollständig und ohne Ausbildung von Hohlräumen von der ersten Schicht 6a, der zweiten Schicht 6b und der dritten Schicht 6c umschlossen ist. Die Ummantelung 101 ist dabei unbeschädigt, so dass eine spätere Temperatur- und Ausdehnungsmessung problemlos möglich ist.
