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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes durch sukzessives Verfestigen von Schichten eines mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung verfestigbaren Baumaterials an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen, wobei die Vorrichtung eine Tragevorrichtung zum Tragen des Objektes, eine Bestrahlungsvorrichtung zum Bestrahlen des Baumaterials mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung an den Stellen, an denen das Baumaterial zur Bildung des Objektes verfestigt wird und eine Baumaterialaufbringvorrichtung zum Aufbringen des Baumaterials aufweist und wobei die Baumaterialaufbringvorrichtung einen ersten Baumaterialbehälter zur Aufnahme von Baumaterial und einen mit dem ersten Baumaterialbehälter verbundenen Baumaterialzuführkanal aufweist und eine Auslassöffnung des Baumaterialzuführkanals zur Tragevorrichtung gerichtet ist und wobei der Baumaterialzuführkanal und die Tragevorrichtung lateral gegeneinander bewegbar sind.
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Zur Herstellung dreidimensionaler Objekte sind verschiedene additive Fertigungsverfahren (auch generative Fertigungsverfahren genannt), wie z.B. das selektive Lasersintern (auch SLS für Selective Laser Sintering) und das Selektive Laserschmelzen (auch SLM für Slective Laser Melting) bekannt. Bei diesen Verfahren wird das dreidimensionale Objekt schichtweise aus einem Baumaterial aufgebaut, wobei dieses Baumaterial in jeder Schicht entsprechend der Geometrie des jeweiligen Objektes mittels Laserbestrahlung aufgeschmolzen bzw. gesintert wird. Weiterhin sind auch Verfahren bekannt, bei denen das Baumaterial mit Teilchenstrahlen verfestigt wird.
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Üblicherweise wird das Baumaterial aus einem Reservoir (Baumaterialdosiervorrichtung) mittels einer Baumaterialrakelvorrichtung auf einem Bearbeitungstisch schichtweise aufgetragen. Aus
WO 2018/024757 A1 ist eine Vorrichtung zur generativen Fertigung bekannt, bei der mehrere Rakel mit separaten Reservoirs vorgesehen sind, sodass eine Schicht auch aus zwei Teilschichten unterschiedlichen Baumaterials aufgebaut werden kann. Damit sind die Materialeigenschaften des aufgebauten Objektes lokal variierbar. Nachteilig ist aber, dass unterschiedliche Materialien nur schichtweise aufgetragen und damit die Materialeigenschaften nur senkrecht entlang der aufgetragenen Schichten variiert werden können. Eine Vermischung unterschiedlichen Baumaterials beim Auftragen mittels der Rakel ist ebenfalls nicht möglich.
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Die
WO 2019/059803 A1 schlägt ein Verfahren zur additiven Herstellung von composite-Strukturen vor. Hierzu wird für jede Schicht zunächst ein erstes Material vollflächig auf dem Bearbeitungstisch aufgetragen. Anschließend wird an den Stellen, wo ein zweites Material anstelle des ersten Materials in der Schicht vorgesehen ist, mittels einer von einem Roboterarm geführten Absaug- und Appliziereinrichtung das erste Material entfernt und durch das zweite Material ersetzt. Somit kann zwar innerhalb einer Schicht ein Materialwechsel erfolgen. Allerdings besteht diese Schicht dann lokal aus dem ersten Material oder dem zweiten Material. Eine Vermischung der beiden Materialien innerhalb einer Schicht ist nicht möglich. Insbesondere ist damit auch kein Mischungsgradient entlang der Schicht erzeugbar.
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Aus
DE 10 2017 213 087 A1 ist eine Anlage zum additiven Herstellen eines Objektes mit mehreren Dosiervorrichtungen zum Auftragen verschiedener Pulverarten bekannt. Die verschiedenen Pulverarten lagern jeweils in einem Vorratsbehälter der Dosiervorrichtungen. Über eine Verstellung von Dosierklappen der Dosiervorrichtung wird das Pulver aus dem jeweiligen Vorratsbehälter einem Dosierschlitz der Dosiervorrichtung zugeführt und darüber auf dem Bearbeitungstisch appliziert. Die Dosiervorrichtungen und der Bearbeitungstisch sind gegeneinander drehbar, sodass aus dem Dosierschlitz fallendes Pulver auf dem Bearbeitungstisch verteilt wird. Durch eine gegenüber dem Bearbeitungstisch radiale Anordnung der Dosiervorrichtungen können damit auch innerhalb einer Schicht Teilschichten aus verschiedenen Pulverarten aufgetragen werden. Eine Variation des Aufbaus der Teilschichten ist aber nur entlang der Bewegungsrichtung der Dosiervorrichtungen und nicht quer zu dieser Bewegungsrichtung möglich. Weiterhin ist auch mit dieser Vorrichtung eine Durchmischung der verschiedenen Pulverarten innerhalb einer Materialschicht nicht möglich.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2014 010 930 A1 eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes bekannt. Das Objekt wird durch sukzessives Verfestigen von Schichten eines mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung verfestigbaren Baumaterials an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen gebildet. Hierzu weist die Vorrichtung eine Tragevorrichtung zum Tragen des Objektes, eine Bestrahlungsvorrichtung zum Bestrahlen des Baumaterials mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung an den Stellen, an denen das Baumaterial zur Bildung des Objektes verfestigt wird und eine Baumaterialaufbringvorrichtung zum Aufbringen des Baumaterials auf. Die Baumaterialaufbringvorrichtung weist einen Baumaterialbehälter zur Aufnahme von Baumaterial und einen mit dem ersten Baumaterialbehälter verbundenen Baumaterialzuführkanal auf. Eine Auslassöffnung des Baumaterialzuführkanals ist in Richtung Tragevorrichtung ausgerichtet. Weiterhin ist der Baumaterialzuführkanal lateral gegenüber der Tragevorrichtung bewegbar. Die von der Bestrahlungsvorrichtung ausgesandte Strahlung wird über einen Strahlungsleiter in den Baumaterialzuführkanal geführt. Nachteilig ist hier, dass mit der Baumaterialaufbringvorrichtung lediglich eine Baumaterialart aufgetragen werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Objektes zu schaffen, bei der beim Auftragen des Baumaterials zumindest zwei Arten Baumaterial innerhalb einer Materialschicht vermischt aufgetragen werden, wobei das Mischungsverhältnis entlang der lateralen Ausdehnung der Materialschicht einstellbar sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 10 aufgezeigt.
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Die Baumaterialbehälter der Baumaterialaufbringvorrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und Anspruch 2 sind so miteinander verbunden, dass Baumaterial, welches mittels der Baumaterialfördereinrichtungen aus den Baumaterialbehältern herausgefördert wird, über die Baumaterialkanäle in den Baumaterialzuführkanal geleitet wird. Im Baumaterialzuführkanal vermischen sich die Baumaterialien aus den Baumaterialbehältern miteinander. Diese Baumaterialmischung wird dann über die Auslassöffnung des Baumaterialzuführkanals in Richtung Tragevorrichtung in den Bauraum geführt. Werden dabei zumindest der Baumaterialzuführkanal und die Tragevorrichtung lateral gegeneinander bewegt, kann damit im Bauraum eine Materialschicht aufgetragen werden.
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Mit der Baumaterialaufbringvorrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Anspruch 1 ist es möglich im Bauraum eine Schicht aus Baumaterial aufzubauen, wobei diese Schicht aus einer Mischung von zwei Arten Baumaterial gebildet ist. Hierzu ist der erste Baumaterialbehälter mit einem ersten Baumaterial und der zweite Baumaterialbehälter mit einem zweiten Baumaterial befüllt. Entsprechend kann beim Einsatz von drei Baumaterialbehältern (Anspruch 2) im Bauraum eine Schicht aus Baumaterial aufgetragen werden, die aus einer Mischung von drei Arten Baumaterial gebildet ist. Hierzu ist der dritte Baumaterialbehälter mit einem dritten Baumaterial befüllt. Beispielsweise kann der erste Bauteilbehälter mit einem Kunststoffpulver, der zweite Bauteilbehälter mit einem Keramikpulver und der dritte Bauteilbehälter mit einem Metallpulver befüllt sein, sodass je nach Anteil des jeweiligen Pulvers in der Baumaterialschicht die Eigenschaften des Objektes wie beispielsweise dessen Härte oder Elastizität lokal variierbar sind.
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Die Anteile der verschiedenen Arten Baumaterial innerhalb einer Schicht sind über die jeweiligen Baumaterialfördereinrichtungen einstellbar. Soll der Anteil einer Art Baumaterial größer sein als der Anteil der anderen Arten, muss die Förderrate für diese Art Baumaterial größer sein als die Förderrate für die anderen Arten Baumaterial. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Baumaterialfördereinrichtungen als Schneckenförderer ausgebildet. Diese Schneckenförderer sind mit einem Ausgang des jeweiligen Baumaterialbehälters verbunden und fördern das jeweilige Baumaterial aus dem Baumaterialbehälter heraus und dem angeschlossenen Baumaterialkanal zu. Die Förderrate der Schneckenförderer kann beispielsweise über die Drehzahl der Förderschnecke eingestellt werden. Wird weiterhin die Drehung der Förderschnecke mit einem Schrittmotor vollzogen, ist die Fördermenge damit sehr genau einstellbar und somit eine sehr genaue Dosierung des jeweiligen Baumaterials möglich. Weiterhin ist es auch möglich, die Anteilsverhältnisse der Baumaterialarten beim Verfahren der Baumaterialaufbringvorrichtung zu variieren und damit innerhalb einer Schicht einen Gradienten der Anteile der aufgetragen Baumaterialarten einzustellen.
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Die Baumaterialaufbringvorrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat weiterhin den Vorteil, dass vermischtes Baumaterial auch nur punktuell im Bauraum appliziert werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Baumaterialkanäle und der Baumaterialzuführkanal jeweils von einem Rohr gebildet.
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Eine weitere Ausführung sieht vor, dass die Baumaterialbehälter mit einem Schutzgas beaufschlagbar sind, sodass zum einen das im jeweiligen Baumaterialbehälter befindliche Baumaterial vom Schutzgas umgeben und damit beispielsweise gegen Korrosion oder Oxidation geschützt ist. Weiterhin kann durch die Beaufschlagung der Baumaterialbehälter mit Schutzgas auch der Druck innerhalb der Baumaterialbehälter erhöht werden, was sich vorteilhaft auf ein Nachrutschen von Baumaterial innerhalb des Baumaterialbehälters in Richtung Baumaterialfördereinrichtung auswirkt.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes
- 2 eine schematische Darstellung der Baumaterialaufbringvorrichtung der Vorrichtung
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes 2. Das Objekt 2 wird durch ein sukzessives Verfestigen von Schichten eines mittels elektromagnetischer Strahlung 3 oder Teilchenstrahlung verfestigbaren Baumaterials 4 an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes 2 entsprechenden Stellen gebildet.
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Hierzu weist die Vorrichtung 1 in einem Bauraum 5 eine Tragevorrichtung 6 zum Tragen des Objektes 2, eine Bestrahlungsvorrichtung 7 zum Bestrahlen des Baumaterials 4 mit elektromagnetischer Strahlung 3 oder Teilchenstrahlung an den Stellen, an denen das Baumaterial 4 zur Bildung des Objektes 2 verfestigt wird und eine Baumaterialaufbringvorrichtung 8 zum Aufbringen des Baumaterials 4 auf. In der dargestellten Ausführung ist die Bestrahlungsvorrichtung 7 ein Laser, dessen Laserstrahlung 3 über ein nicht dargestelltes Spiegelsystem im Bauraum 5 geführt wird.
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Die Baumaterialaufbringvorrichtung 8 weist einen Baumaterialzuführkanal 8a auf und ist über eine Verfahreinheit 9 horizontal gegenüber einer Bauteiltragebene 6a der Tragevorrichtung 6 bewegbar. Die Baumaterialaufbringvorrichtung 8 wird in der 2 näher erläutert.
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In der dargestellten Ausführung umfasst die Vorrichtung 1 eine weitere Baumaterialaufbringvorrichtung 10 umfassend eine Baumaterialrakelvorrichtung 10a und einen Baumaterialdosierbehälter 10b. Der Baumaterialdosierbehälter 10b weist einen höhenverlagerbaren Boden 10c auf, der in dem Baumaterialdosierbehälter 10b lagerndes Baumaterial 4 durch ein Öffnung 10d im Baumaterialdosierbehälter 10b in den Bauraum 5 drückt. In den Bauraum 5 gedrücktes Baumaterial 4 wird dann von der horizontal bewegbaren Baumaterialrakelvorrichtung 10a zu einer Schicht im Bauraum 5 verteilt. Überschüssiges Baumaterial 4, welches beim Aufrakeln dieser Schicht nicht benötigt wird, wird von der Baumaterialrakelvorrichtung 10a in einen Auffangbehälter 10e der Baumaterialaufbringvorrichtung 10 befördert.
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In 2 ist eine schematische Darstellung der Baumaterialaufbringvorrichtung 8 gezeigt. Die Baumaterialaufbringvorrichtung 8 umfasst einen ersten Baumaterialbehälter 11, einen zweiten Baumaterialbehälter 12 und einen dritten Baumaterialbehälter 13, jeweils zur Aufnahme von Baumaterial 4a, 4b, 4c. Jeder Baumaterialbehälter 11, 12, 13 ist mit einer Baumaterialfördereinrichtung 14, 15, 16 ausgestattet, wobei mit dieser Baumaterialfördereinrichtung 14, 15, 16 Baumaterial 4a, 4b, 4c aus dem jeweiligen Baumaterialbehälter 11, 12, 13 herausförderbar ist. An jeder Baumaterialfördereinrichtung 14, 15, 16 schließt ein Baumaterialkanal 17, 18, 19 an, wobei die Baumaterialfördereinrichtungen 14, 15, 16 das Baumaterial 4a, 4b, 4c in den jeweiligen Baumaterialkanal 17, 18, 19 fördern. Die drei Baumaterialkanäle 17, 18, 19 sind an den Baumaterialbehältern 11, 12, 13 abgewandten Enden zusammengeführt. Unterhalb der den Baumaterialbehältern 11, 12, 13 abgewandten Ende der Baumaterialkanäle 17, 18, 19 ist der Baumaterialzuführkanal 8a der Vorrichtung 1 angeordnet. Die zusammengeführten Enden der drei Baumaterialkanäle 17, 18, 19 führen in ein den Baumaterialbehältern 11, 12, 13 zugewandtes Ende des Baumaterialzuführkanals 8a. Ein den Baumaterialbehältern 11, 12, 13 abgewandtes Ende des Baumaterialzuführkanals 8a ist oberhalb der Tragevorrichtung 6 angeordnet und weist eine Auslassöffnung 8b auf. Baumaterial 4a, 4b, 4c, welches aus den Baumaterialbehältern 11, 12, 13 über die Baumaterialfördereinrichtungen 14, 15, 16 in die Baumaterialkanäle 17, 18, 19 gefördert wird, rutscht schwerkraftbedingt in den Baumaterialkanälen 17, 18, 19 zum Baumaterialzuführkanal 8a. Im Baumaterialzuführkanal 8a rutscht das Baumaterial 4a, 4b, 4c ebenfalls schwerkraftbedingt zur Auslassöffnung 8b des Baumaterialzuführkanals 8a und wird über die Auslassöffnung 8b in Richtung Tragevorrichtung 6 in den Bauraum 5 appliziert. Bei gleichzeitiger lateraler Bewegung der Baumaterialaufbringvorrichtung 8 gegenüber der Tragevorrichtung 6 wird damit vermischtes Baumaterial 4a, 4b, 4c im Bauraum 5 verteilt. In der dargestellten Ausführung werden die drei Baumaterialbehälter 11, 12, 13 mit den Baumaterialfördereinrichtungen 14, 15, 16, die Baumaterialkanäle 17, 18, 19 und der Baumaterialzuführkanal 8a gemeinsam von der Verfahreinheit bewegt. Die Baumaterialaufbringvorrichtung kann allerdings auch so ausgeführt sein, dass nur der Baumaterialzuführkanal 8a von der Verfahreinheit 9 bewegt wird und die Baumaterialbehälter 11, 12, 13 mit den Baumaterialfördereinrichtungen 14, 15, 16 und die Baumaterialkanäle 17, 18, 19 gegenüber der Tragevorrichtung 6 ortsfest sind. Der Baumaterialzuführkanal 8a und die Baumaterialkanäle 17, 18, 19 sind dabei dann über flexible Leitungen miteinander verbunden. Ebenso können auch nur die Baumaterialbehälter 11, 12, 13 mit den Baumaterialfördereinrichtungen 14, 15, 16 ortsfest sein und die Baumaterialkanäle 17, 18, 19 selbst flexibel ausgestaltet sein.
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In der dargestellten Ausführung sind die Baumaterialfördereinrichtungen 14, 15, 16 als Schneckenförderer und die Baumaterialkanäle 17, 18, 19 und der Baumaterialzuführkanal 8a jeweils von einem Rohr gebildet. Die Schneckenförderer sind jeweils unabhängig voneinander über eine nicht dargestellte Steuereinheit steuerbar.
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Der erste Baumaterialbehälter 11 ist mit einem Kunststoffpulver, der zweite Baumaterialbehälter 12 mit einem Keramikpulver und der dritte Baumaterialbehälter 13 mit einem Metallpulver befüllt.
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Alle drei Baumaterialbehälter 11, 12, 13 sind jeweils mit einem Schutzgas beaufschlagbar. Hierzu sind die Baumaterialbehälter 11, 12, 13 mit einem das Schutzgas führenden Leitungssystem 20 verbunden.
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Die Baumaterialaufbringvorrichtung 8 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist nicht auf die beschriebene Ausführung mit drei Baumaterialbehältern 11, 12, 13 beschränkt. Die Baumaterialaufbringvorrichtung 8 kann auch nur zwei Baumaterialbehälter 11, 12, 13 aufweisen, sodass in einer Schicht zwei Arten Baumaterial 4a, 4b, 4c miteinander vermischt aufgetragen werden können. Ebenso kann die Baumaterialaufbringvorrichtung 8 grundsätzlich auch mehr als drei Baumaterialbehälter 11, 12, 13 jeweils mit Baumaterialfördereinrichtung 14, 15, 16 und Baumaterialkanal 17, 18, 19 aufweisen, sodass eine der Anzahl der Baumaterialbehälter 11, 12, 13 entsprechende Anzahl von Baumaterialarten innerhalb einer Schicht Baumaterial 4a, 4b, 4c appliziert werden kann.
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Grundsätzlich können je nach gewünschter lokaler Eigenschaften des Objektes 2 auch die Baumaterialfördereinrichtung 14, 15, 16 einzelner Baumaterialbehälter 11, 12, 13 zeitweise abgeschaltet werde, sodass Baumaterial 4a, 4b, 4c aus diesen Behältern nicht in der Materialschicht verbaut wird.
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Ebenso kann die Vorrichtung 1 neben der Baumaterialaufbringvorrichtung 10 mit Baumaterialrakelvorrichtung 10a und dem Baumaterialdosierbehälter 10b weitere Baumaterialaufbringvorrichtungen jeweils mit einer Baumaterialrakelvorrichtung und einem Baumaterialdosierbehälter aufweisen. Damit können innerhalb einer Materialschicht übereinander liegende Teilschichten unterschiedlichen Baumaterials im Bauraum aufgetragen werden. Umfasst die Vorrichtung 1 beispielsweise zwei analog zur Baumaterialaufbringvorrichtung 10 aufgebaute Baumaterialaufbringvorrichtungen, so kann ein Materialschicht bestehend aus zwei Teilschichten unterschiedlichen Baumaterials aufgetragen werden. Auch eine Kombination mit der Baumaterialaufbringvorrichtung 8 ist möglich, sodass beispielsweise zum Aufbau einer Materialschicht zunächst mittels einer ersten Baumaterialaufbringvorrichtung 10 eine erste Teilschicht aus einem ersten Baumaterial, anschließend mittels einer zweiten Baumaterialaufbringvorrichtung 10 eine zweite Teilschicht aus einem zweiten Baumaterial und anschließend mit der Baumaterialaufbringvorrichtung 8 eine dritte Teilschicht, bestehend aus einer Mischung eines dritten und eines vierten Baumaterials, aufgetragen wird.
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In einer nicht dargestellten Ausführung ist die Baumaterialaufbringvorrichtung 8 oder zumindest der Baumaterialzuführkanal 8a über die Verfahreinheit 9 auch vertikal gegenüber der Bauteiltragebene 6a der Tragevorrichtung 6 bewegbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Objekt
- 3
- elektromagnetische Strahlung, Laserstrahlung
- 4
- Baumaterial
- 5
- Bauraum
- 6
- Tragevorrichtung
- 7
- Bestrahlungsvorrichtung
- 8
- Baumaterialaufbringvorrichtung
- 8a
- Baumaterialzuführkanal
- 8b
- Auslassöffnung
- 9
- Verfahreinheit
- 10
- Baumaterialaufbringvorrichtung
- 10a
- Baumaterialrakelvorrichtung
- 10b
- Baumaterialdosierbehälter
- 10c
- Boden
- 10d
- Öffnung
- 10e
- Auffangbehälter
- 11
- Baumaterialbehälter
- 12
- Baumaterialbehälter
- 13
- Baumaterialbehälter
- 14
- Baumaterialfördereinrichtung
- 15
- Baumaterialfördereinrichtung
- 16
- Baumaterialfördereinrichtung
- 17
- Baumaterialkanal
- 18
- Baumaterialkanal
- 19
- Baumaterialkanal
- 20
- Leitungssystem
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2018/024757 A1 [0003]
- WO 2019/059803 A1 [0004]
- DE 102017213087 A1 [0005]
- DE 102014010930 A1 [0006]
