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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Laserauftragschweißen, das das Aufbringen eines Zusatzwerkstoffes, insbesondere eines metallisches Werkstoffs, aus einer Düse auf mindestens eine Oberfläche eines Substrats und/oder eines Werkstücks und das wenigstens teilweise Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffs mit einem Laserstrahl aufweist. Ein derartiges Verfahren ist aus der
WO 2017/025148 A1 bekannt. Ein ähnliches Verfahren beschreibt auch die
WO 2019/042872 A1 .
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren haben den Nachteil, dass die realisierbaren Auftragsraten limitiert sind. Beim Laserauftragsschweißen von Metallen können häufig nur Auftragsraten realisiert werden, die unterhalb von 1 kg/h liegen. Darüber hinaus sind bei den bekannten Laserauftragschweißprozessen die realisierbaren Auftragsraten auch insofern limitiert, als dass die verwendeten Zusatzwerkstoffe, insbesondere hochfeine Metallpulver und dergleichen, teuer in der Bereitstellung sind, so dass das Erzeugen von frei geformten Werkstücken durch schichtweises Laserauftragschweißen gegenüber konventionellen Herstellungsverfahren für massive Metallwerkstücke, etwa gegenüber Gussverfahren, kostenmäßig unwirtschaftlich ist. Hinzu kommt, dass für hohe Auftragsraten, das heißt hohe Laserleitungen die aufgetragenen, aufgeschmolzenen Zusatzwerkstoffschichten unkontrolliert verlaufen können.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Laserauftragschweißen der eingangs beschriebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass es einerseits hohe Auftragsraten ermöglicht und andererseits kostengünstig in der Umsetzung ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen jeweils vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Demgemäß ist vorgesehen, dass der Zusatzwerkstoff als Granulat aus der Düse austritt, das zumindest anteilig, vorzugsweise mindestens 50 Gew.-% davon, eine Körnung von mindestens 50 µm aufweist. Die Idee der Erfindung liegt somit darin, anstelle der aus dem Stand der Technik bekannten hochfeinen Pulver als Zusatzwerkstoff ein Granulat zu verwenden, das zumindest anteilig und vorzugsweise größtenteils eine Körnung von mindestens 50 µm aufweist. Aufgrund der vergleichsweise großen Körnung kann das Granulat preiswerter hergestellt werden als eine entsprechende Menge hochfeinen Pulvers. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass das Granulat im Vergleich zu üblicherweise verwendeten größenkalibrierten Pulvern eine vergleichsweise starke Varianz hinsichtlich seiner Körnung, insbesondere seines größten Durchmesser und Volumens, aufweist, wodurch die Bereitstellungskosten des Granulats ebenfalls gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Pulvern herabgesetzt wird. Dadurch kann ein möglichst breites Spektrum der Korngrößenverteilung des Granulats gleichzeitig innerhalb eines Prozesses verwendet werden. Herkömmliche Verfahren können bisher demgegenüber nur einen schmalen Bereich der Korngrößenverteilung verarbeiten, sodass entsprechende Anlagen daher zur Verarbeitung anderer Korngrößenbereiche jeweils umgebaut werden müssen.
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Ein Granulat im Sinne der Erfindung kann insbesondere ein körniger bis pulverförmiger Feststoff sein mit einer Körnung von mindestens 50 µm bei zumindest einem Anteil des Granulats und vorzugsweise mindestens 50 Gew.-% davon. Die Mindestkörnung des Anteils, vorzugsweise von mindestens 50 Gew.-% des Granulats, beträgt vorzugsweise mindestens 100 µm und besonders bevorzugt mindestens 150 µm.
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Als Laserquellen können beispielsweise aus dem Stand der Technik bekannte Diodenlaser, oder alternativ Kohlenstoffdioxidlaser oder Festkörperlaser verwendet werden, deren Laserleistung entsprechend der gewünschten Auftragsrate skaliert ist. Insoweit bedarf der Laserprozess keiner Anpassung. Um das prozesssichere Aufschmelzen des im Vergleich zum Pulver zumindest im Mittel grobkörnigeren Granulats aufgrund seiner geringeren Oberfläche pro Gewichtsanteil zu ermöglichen, kann bei einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass das Granulat bei dem Aufbringen mit einer Temperatur von mehr als 100 °C, vorzugsweise mehr als 250 °C und besonders bevorzugt mehr als 500 °C aus der Düse austritt. Demgemäß kann das Granulat bereits als vorgewärmtes Granulat in den Laserstrahl eintreten, so dass die für das Aufschmelzen erforderliche Laserleistung entsprechend herabgesetzt werden kann.
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Das Verfahren kann vor dem Aufbringen des Granulats das Vorwärmen des Granulats in einem beheizten Granulatvorratbehälter auf eine Temperatur von mindestens 100 °C, vorzugsweise von mindestens 150 °C und besonders bevorzugt von mindestens 200 °C aufweisen.
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Dabei kann das in dem beheizten Granulatvorratbehälter vorgewärmte Granulat auf einem Transportweg von dem Granulatvorratbehälter zu der Düse gewärmt werden, so dass es bei Erreichen der Düse mindestens die Temperatur aufweist, die es beim Verlassen des Granulatvorratbehälters aufwies.
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Das in dem Granulatvorratbehälter vorgewärmte Granulat kann von einem vorgewärmten Transportgas durch eine Transportleitung von dem Granulatvorratbehälter zu der Düse transportiert werden, wobei das Transportgas eine Temperatur von mindestens 100 °C, vorzugsweise von mindestens 150 °C und besonders bevorzugt von mindestens 200 °C aufweist.
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Das Verfahren kann weiterhin das Nachheizen des Granulats unmittelbar bevor das Granulat in die Düse eintritt, auf eine Temperatur von mehr als 250 °C, vorzugsweise auf mehr als 400 °C und besonders bevorzugt auf mehr als 500 °C aufweisen. Das Nachheizen kann auch das einzige Heizen beziehungsweise sonstige Erwärmen des Granulats sein, so dass „Nachheizen“ im Sinne der Erfindung nicht zwingend bedingt, dass bereits ein vorangegangenes Heizen beziehungsweise Erwärmen des Granulats stattgefunden hat, auch wenn dies je nach Ausführungsform zweckmäßig sein kann, wie etwa bei Zusatzwerkstoffen mit hoher Wärmekapazität.
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Das Nachheizen kann das Durchleiten des Granulats durch mindestens eine Induktionsspule aufweisen, wobei das Granulat vorzugsweise durch mindestens eine Metallhülse geleitet wird, die von mindestens einer Induktionsspule umgeben ist.
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Das Granulat kann ein Granulatgemisch sein, welches bei dem Aufbringen auf die Oberfläche aufgebracht wird, wobei von dem Granulatgemisch mindestens 10 Gew.-% des Granulats eine Körnung aufweisen, die mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 20% und besonders bevorzugt mindestens 50% größer ist als die Körnung weiterer mindestens 10 Gew.-% des Granulats aufweisen. Es ist insbesondere denkbar, dass das Granulatgemisch eine Korngrößenverteilung aufweist, welche Korngrößen von 50 µm bis hin zu 300 µm einschließt. Das Granulatgemisch kann dabei eine homogene Korngrößenverteilung aufweisen. Alternativ kann das Granulatgemisch unterschiedliche Anteile bestimmter Korngrößenbereiche aufweisen.
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Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Zusatzwerkstoff mit einer Aufbaurate von über 10 kg/h, vorzugsweise über 20 kg/h und besonders bevorzugt von über 40 kg/h aufgebracht und aufgeschmolzen.
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Der Zusatzwerkstoff kann bahnenweise und abwechselnd an gegenüber liegenden Seiten des Substrats und/oder des Werkstücks aufgebracht und aufgeschmolzen werden, um Verspannungen in dem Werkstück beziehungsweise dem Substrat zu vermeiden. Demgemäß können durch einen wechselseitigen Aufbau des Werkstücks Thermospannungen vermieden werden.
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Als weiteres Mittel um Verzug zu vermeiden kann vorgesehen sein, dass das Aufbringen und Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffs auf die Oberfläche des Substrats und/oder des Werkstücks segmentiert erfolgt, wobei mehrere voneinander getrennte Teilwerkstücke aufgebaut werden, die über mindestens eine Lücke voneinander beabstandet sind.
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Dabei kann weiterhin vorgesehen sein, dass die mindestens eine Lücke durch Aufbringen weiteren Zusatzwerkstoffes in die mindestens eine Lücke und Aufschmelzen des weiteren Zusatzwerkstoffes geschlossen und damit die Teilwerkstücke miteinander verbunden werden.
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Das zuvor beschriebene Verfahren ist insbesondere bei der Herstellung großer Strukturen vorteilhaft, die im fertigen Zustand beispielhaft über 100 kg Gewicht aufweisen können. Dabei kann die aufzubauende Struktur innerhalb einer jeden Aufbauschicht in mehrere Segmente aufgeteilt werden. Diese Segmente können dann nacheinander oder gleichzeitig aufgebaut werden. Vorzugsweise wird dabei darauf geachtet, dass nebeneinander liegende Segmente nicht unmittelbar hintereinander aufgebaut werden, um die Ausbildung von Hot-Spots zu vermeiden, welche wiederum zu Verspannungen führen könnten. Die zwischen den Segmenten gelassenen Lücken können nach dem Aufbau sämtlicher Segmente miteinander verbunden werden, um die Gesamtstruktur herzustellen.
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Bei besonders hohen Auftragsraten kann es erforderlich sein, den Düsenabstand nachzuregeln, da prozessbedingt nach mehreren aufeinander abgeschiedenen Lagen unterschiedlich hohe Materialanhäufungen entstehen. Nach mehreren Lagen gestaltet sich dann die folgende Situation: Der Bearbeitungskopf der Düse bewegt sich planar in einer Ebene zum Auftragen einer weiteren Schicht. Die darunter liegenden, bereits abgeschiedenen Schichten beziehungsweise das Substrat, auf welche aufgetragen wird, besitzen ein undefiniertes Höhenprofil. Für die Erzielung eines stabilen Prozesses ist jedoch der Abstand der Düse zum Substrat konstant zu halten, so dass eine aktive Höhenregelung der Düse erforderlich sein kann. Demgemäß kann bei dem bahnenweisen Aufbringen und Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffs ein vertikaler Abstand der Düse zu dem Substrat und/oder dem Werkstück entlang einer Bearbeitungsbahn nachgeführt werden, so dass der Abstand entlang der Bearbeitungsbahn konstant ist.
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Die zuvor beschriebenen Verfahren können weiterhin die folgenden Schritte aufweisen:
- a. in einem ersten Schritt kann ein zur Oberseite offener Werkzeugsockel ausgebildet werden, wobei durch schichtweises Aufbringen und Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes eine umlaufende vertikale Außenwandung und eine einteilig daran angeformte, innere Stützstruktur aus vertikalen Stützwänden aufgebaut werden,
- b. in einem zweiten Schritt kann eine Abdeckung auf den zur Oberseite offenen Werkzeugsockel aufgesetzt werden, wodurch die Oberseite des Werkzeugsockels verschlossen wird, und
- c. in einem dritten Schritt kann durch schichtweises Aufbringen und Aufschmelzen weiteren Zusatzwerkstoffes die Abdeckung mit dem Werkzeugsockel, vorzugsweise mit der Außenwandung, stoffschlüssig verbunden und ein Werkzeugoberteil auf der Abdeckung aufgebaut werden.
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Dabei kann in dem ersten Schritt bei dem Aufbauen der umlaufenden vertikalen Außenwandung die Außenwandung an der Oberseite mit einer zum Innenumfang der Außenwandung absteigenden umlaufenden Stufe aufgebaut werden, in die in dem zweiten Schritt die Abdeckung formschlüssig eingesetzt wird und mit der in dem dritten Schritt die Abdeckung stoffschlüssig verbunden wird.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachstehenden Figuren erläutert. Dabei zeigt:
- 1 schematisch ein beispielhaftes Verfahren zum Laserauftragschweißen gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 2 schematisch das segmentierte Aufbauen eines großen Werkstücks mittels des erfindungsgemäßen Laserauftragschweißens;
- 3 in der perspektivischen Darstellung eine beispielhafte Ausführungsform eines mit einem erfindungsgemäßen Laserauftragschweißverfahrens hergestellten Werkstücks; und
- 4 eine beispielhafte Schrittabfolge für den Aufbau eines großen Werkstücks mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserauftragschweißen.
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Die 1 zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes Verfahren zum Laserauftragschweißen zur Herstellung eines großen Werkstücks 100 mit hohen Auftragsraten. Dazu wird ein Substrat 4, welches als ein im Wesentlichen ebenes Bauteil ausgebildet ist, in abwechselnder Folge auf Oberflächen 3 gegenüber liegender Seiten 11 des Werkstücks 100 mit jeweils einer Materialschicht (1. bis 6. Lage) eines Zusatzwerkstoffes 1 aufgebaut, um Verspannungen in dem erzeugten Werkstücks 100 zu vermeiden oder zumindest auf ein Minimum zu verringern. Der Zusatzwerkstoff 1 wird in einem Granulatvorratbehälter 6 bereitgestellt und dort auf eine Temperatur von mindestens 100 °C und besonders bevorzugt mindestens 200 °C vorgewärmt, so dass er beim späteren Aufschmelzen durch den Laserstrahl 5 weniger Energie absorbiert, und damit bei vergleichsweise schwachen Laserleistungen trotz der erfindungsgemäß vorgesehenen vergleichsweise hohen Granularität des Zusatzwerkstoffs 1 gearbeitet werden kann.
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Demgemäß ist vorgesehen, dass der Zusatzwerkstoff 1 als Granulat 7 aus der Düse 2 austritt, wobei das Granulat 7 zumindest anteilig und vorzugsweise mindestens 50 % bei insbesondere 50 Gew.-% von dem Granulat 7 eine Körnung von mindestens 50 µm aufweisen. Besonders bevorzugt weist das Granulat 7 jedoch einen noch viel höheren Gewichtsanteil auf mit einer mittleren Körnung von mindestens 50 µm auf. Vorzugsweise beträgt dieser Anteil mindestens 90 Gew.-%.
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Das Granulat 7 wird auf einem Transportweg 8 von dem Granulatvorratbehälter 6 zu der Düse 2 gewärmt, so dass es bei dem Erreichen der Düse 2 vorzugsweise mindestens die Temperatur aufweist, die es beim Verlassen des Granulatvorratbehälters 6 aufwies. Dazu kann das Granulat 7 mit einem Transportgas entlang einer Transportleitung 9 transportiert werden, wobei das Transportgas eine der gewünschten Temperatur des Granulats 7 entsprechende Temperatur aufweist, beispielsweise eine Temperatur zwischen 100 °C und 200 °C.
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Um eine weitere Absenkung der zum Aufschmelzen des Granulats 7 erforderlichen Laserleistung zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass das Granulat 7 unmittelbar vor dem Eintreten in die Düse 2 auf eine Temperatur von mehr als 500 °C aufgeheizt wird. Für das Aufheizen wird das Granulat 7 durch eine Metallhülse 10 hindurch geleitet, die von mindestens einer Induktionsspule 21 umgeben ist.
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Als Laserquelle für die Erzeugung des Laserstrahls 5 kann beispielsweise ein Diodenlaser verwendet werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Substrat 4 zwischen aufeinanderfolgenden Lagen (1. bis 6. Lage) mit einer Substratdrehvorrichtung um jeweils 180° gedreht wird, um das sequenzielle Auftragen des Zusatzwerkstoffes 1 an gegenüber liegenden Oberflächen 3 des Substrats 4 zu ermöglichen.
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Auf die zuvor beschriebene Weise ist es möglich, Aufbauraten zu erzielen, die mindestens 10 kg/h betragen. Je nach verwendetem Werkstoff sowie eingesetzter Laserquelle können auch Auftragsraten von mehr als 40 kg/h erreicht werden.
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2 zeigt in beispielhafter Ausführungsform das segmentierte Aufbauen eines großen Werkstücks 100, welches beim monolithischen Aufbau unter Umständen durch die thermische Induktion von Verspannungen einen Verzug aufweisen würde. Dazu ist vorgesehen, dass bei dem Aufbringen und Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffs auf die Oberfläche 3 des Substrats 4 das Werkstück 100 segmentiert aufgebaut wird beziehungsweise das Aufbringen und Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes 1 segmentiert erfolgt, wobei mehrere voneinander getrennte Teilwerkstücke 12 erzeugt werden, die über mindestens eine Lücke 13 voneinander getrennt und beabstandet sind. Sobald die Teilwerkstücke 12 für sich genommen vollständig oder zumindest größtenteils aufgebaut worden sind, können diese dadurch miteinander verbunden werden, dass die mindestens eine Lücke durch Aufbringen eines Zusatzwerkstoffes in die mindestens eine Lücke und Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes geschlossen wird.
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Die Zusammenschau der 1 und 3 veranschaulicht, dass bei sehr hohen Auftragsraten und damit einhergehenden hohen Laserleistungen prozessbedingt nach mehreren übereinander abgeschiedenen Materiallagen unterschiedlich hohe Materialanhäufungen entstehen können, die eine Nachregelung des Düsenabstands zur Substratoberfläche bedingen können. Demgemäß kann beispielsweise vorgesehen sein, dass beim bahnenweisen Aufbringen und Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes ein vertikaler Abstand d der Düse 2 zum Substrat 4 entlang einer Bearbeitungsbahn 14 nachgeführt wird, so dass der Abstand d entlang der Bearbeitungsbahn 14 konstant ist.
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Die partielle Wärmeeinwirkung kann außerdem eine örtlich unterschiedliche Wärmeausdehnung des Substrats bewirken, wodurch sich dieses verziehen kann. Gleichzeitig führt der Verzug zu inneren Spannungen im Substrat. Aufgrund des Verzugs ist es ferner eine Herausforderung, den optimalen Prozessabstand von Düse zu Substrat zu gewährleisten. Um dem Effekt des Verzugs entgegenzuwirken, kann daher vorgesehen sein, dass das Substrat dauerhaft auf einer Temperatur 10% unterhalb der Kriechtemperatur gehalten wird. Das Aufheizen des Substrats beziehungsweise das Halten des Substrats auf einer vorbestimmten Temperatur kann beispielsweise durch zumindest ein Heizelement, insbesondere zumindest eine Heizplatte, vorgenommen werden. Die zumindest eine Heizplatte kann dabei unterhalb und/oder neben dem Substrat angeordnet sein.
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Die 4 veranschaulicht eine mögliche Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines gewichtsoptimierten Trägerrahmens mit einer Wabenstruktur für den Werkzeugbau. Bei Trägerrahmen im Werkzeugbau besteht häufig das Problem, dass das Eigengewicht des Trägerrahmens zu groß ist. Dies führt dazu, dass das Maximalgewicht des Gesamtwerkzeugs deutlich überschritten wird und sehr viel Masse im Prozess bewegt werden muss. Dabei zeichnen sich die meisten Trägerrahmen dadurch aus, diese Masse nicht aus Stabilitätsgründen zu benötigen, sondern dass sich das hohe Gewicht seitens der Herstellung ergibt.
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Zur Lösung dieses Problems ist es unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, in einem ersten Schritt (a) einen zur Oberseite offenen Werkzeugsockel 5 auszubilden, wobei durch schichtweises Aufbringen und Aufschmelzen von Zusatzwerkstoff eine umlaufende vertikale Außenwandung 16 und eine einteilig daran angeformte innere Stützstruktur 17 aus vertikalen Stützwänden aufgebaut werden.
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In einem zweiten Schritt (b) wird eine Abdeckung 18 auf den zur Oberseite offenen Werkzeugsockel 5 aufgesetzt, wodurch die Oberseite des Werkzeugsockels 5 verschlossen wird. Die Abdeckung 18 liegt auf den freien Stirnseiten der Außenwandung 16 und der Stützstruktur 17 auf.
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In einem dritten Schritt (c) wird durch schichtweises Aufbringen und Aufschmelzen weiteren Zusatzwerkstoffes 1 die Abdeckung 18 mit dem Werkzeugsockel 5 und vorzugsweise mit der Außenwandung 16 des Werkzeugsockels stoffschlüssig verbunden sowie ein Werkzeugoberteil 19 auf der Abdeckung 18 aufgebaut.
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Dabei kann in dem ersten Schritt (a) bei dem Aufbauen der umlaufenden vertikalen Außenwandung 16 die Außenwandung 16 an der Oberseite mit einer zum Innenumfang der Außenwandung 16 absteigenden, umlaufenden Stufe 20 aufgebaut werden, in die in dem zweiten Schritt (b) die Abdeckung 18 formschlüssig eingesetzt wird, und mit der in dem dritten Schritt (c) die Abdeckung 18 stoffschlüssig verbunden wird.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Figuren sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zusatzwerkstoff
- 2
- Düse
- 3
- Oberfläche
- 4
- Substrat
- 5
- Laserstrahl
- 6
- Granulatvorratbehälter
- 7
- Granulat
- 8
- Transportweg
- 9
- Transportleitung
- 10
- Metallhülse
- 11
- Seite
- 12
- Teilwerkstück
- 13
- Lücke
- 14
- Bearbeitungsbahn
- 5
- Werkzeugsockel
- 16
- Außenwandung
- 17
- Stützstruktur
- 18
- Abdeckung
- 19
- Werkzeugoberteil
- 20
- Stufe
- 21
- Induktionsspule
- 100
- Werkstück
- d
- Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2017/025148 A1 [0001]
- WO 2019/042872 A1 [0001]
