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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau eines dreidimensionalen Bauteils.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Herstellung von mitunter komplex geformten, dreidimensionalen Körpern kann mit additiven Verfahren realisiert werden. Diese können auf dem schichtweisen oder lageweisen Auftragen von Material auf ein Substrat basieren. Dabei wird das entsprechende Material beispielsweise pulverförmig vorgesehen. Es kann dann etwa nacheinander in mehreren Schichten auf das Substrat aufgebracht werden, wobei jede aufgebrachte Schicht durch eine Erwärmungseinrichtung bearbeitet wird. Durch das Bearbeiten wird lokal Material aufgeschmolzen oder erhärtet, sodass ein fester, zusammenhängender Körper aus den aufeinanderfolgenden, bearbeiteten Schichten entsteht. Es sind jedoch auch andere Verfahren bekannt, bei denen aufgeschmolzenes Material auf das Substrat aufgetragen wird und dort erhärtet.
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Bei der Bearbeitung pulverförmigen Materials sind unterschiedliche Erwärmungseinrichtungen bekannt. Beispielsweise kann ein Laser eingesetzt werden, um vorgegebene Konturen auf einer aufgebrachten Schicht zu überstreichen und dabei das Material aufzuschmelzen oder zu sintern. Durch einen Laser können sehr feine Konturen realisiert werden. Alternativ dazu sind Verfahren mit Mikrowellen bekannt, bei denen hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten erreichbar sind. Allerdings reicht die Qualität nicht unbedingt an laserbasierte Verfahren heran.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und/oder ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils vorzuschlagen, dessen Geschwindigkeit die von laserbasierten Verfahren übertrifft, dennoch eine hohe Bauteilgenauigkeit erreicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Es wird eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau eines dreidimensionalen Bauteils vorgeschlagen, die Vorrichtung aufweisend mindestens eine Zufuhreinheit zum Zuführen eines pulverförmigen Materials, mindestens eine Führungseinrichtung, mindestens eine Lasereinheit, mindestens eine Mikrowelleneinheit, und ein Substrat, wobei die Zufuhreinheit dazu ausgebildet ist, das Substrat nacheinander mit mehreren Schichten des pulverförmigen Materials zu bedecken, wobei die mindestens eine Führungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die mindestens eine Lasereinheit und/oder die mindestens eine Mikrowelleneinheit entlang vorgegebener Konturen über jede Schicht zu führen, wobei die Lasereinheit dazu ausgebildet ist, einen ersten Abschnitt mindestens einer von der Zufuhreinheit aufgetragenen Schicht des pulverförmigen Materials selektiv zu erwärmen, und wobei die Mikrowelleneinheit dazu ausgebildet ist, einen zweiten Abschnitt der mindestens einen von der Zufuhreinheit aufgetragenen Schicht eines pulverförmigen Materials selektiv zu erwärmen, so dass ein zusammenhängendes Bauteil entsteht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt eine Kombination aus einer Lasereinheit und einer Mikrowelleneinheit, um die einzelnen aufgetragenen Schichten zu bearbeiten. Die Lasereinheit weist hierzu einen Laser auf, der dazu ausgebildet ist, einen gerichteten Laserstrahl abzugeben. Der Laserstrahl wird entlang der vorgegebenen Konturen mit einer geeigneten Geschwindigkeit gelenkt, so dass das Material entlang der vorgegebenen Konturen einer für den Bearbeitungsprozess ausreichenden Energie ausgesetzt wird. Je feiner der Laserstrahl ausgebildet ist, desto feinere bzw. präzisere Konturen können in der betreffenden Schicht realisiert werden.
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Die Lasereinheit ist dazu vorgesehen, einen ersten Abschnitt einer aufgetragenen Schicht zu überstreichen, sodass das dort vorliegende Material aufgeschmolzen, gesintert oder gehärtet wird. Je nach Materialwahl kann ein bestimmter Lasertyp ausgewählt werden. Weiterhin dimensioniert die Materialwahl die erforderliche Geschwindigkeit des Überstreichens durch den Laser, in Abhängigkeit von dessen Leistung.
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Die Mikrowelleneinheit weist indes eine Quelle für Mikrowellen auf, die durch ein geeignetes Element zu einer Art Strahl gebündelt bzw. ausgerichtet werden. Die realisierbare Energiedichte und/oder die absolute Strahlungsleistung kann deutlich höher als die der Lasereinheit sein und folglich zu einer deutlich höheren Arbeitsgeschwindigkeit führen.
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Es könnte sich bei Bedarf anbieten, eine erste Mikrowelleneinheit mit einem etwas breiteren Strahl oder einem Bündel von Mikrowellen vorzusehen, die für eine etwas gröbere, flächige Bearbeitung eingesetzt wird. Es ist weiterhin denkbar, eine zweite Mikrowelleneinheit vorzusehen, welche für eine zusätzliche Feinbearbeitung eingesetzt wird und einen feineren bzw. stärker gebündelten Strahl von Mikrowellen abgibt.
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Das Substrat ist als eine Unterlage bzw. Auflagefläche für einzelne Schichten des pulverförmigen Materials zu verstehen. Das Substrat kann eine dedizierte Auflagefläche aus einem geeigneten Material umfassen, sowie alle darauf befindlichen, bereits hergestellten Schichten des Bauteils, auf die eine Schicht des pulverförmigen Materials aufgetragen wird.
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Ziel der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, durch Verwenden sowohl einer Lasereinheit als auch einer Mikrowelleneinheit unterschiedliche Abschnitte einer aufgetragenen Schicht unabhängig voneinander zu bearbeiten, sodass die Vorteile der beiden Energiequellen miteinander kombiniert werden können. Der zweite Abschnitt könnte an Querschnittsbereichen liegen, die nicht sichtbar sind oder wo eine etwas gröbere Oberflächengüte tolerierbar ist. Die Lasereinheit kann indes dort vorgesehen sein, wo eine hohe Konturgenauigkeit und/oder Oberflächengüte erreicht werden muss. Es bietet sich beispielsweise an, Außenkonturen einer Schicht durch die Lasereinheit zu behandeln, während von den Außenkonturen umschlossene Innenflächen durch die Mikrowelleneinheit zu bearbeiten sind. Der durch die Innenflächen überdeckte Flächeninhalt kann den Flächeninhalt der durch die Außenkonturen überspannten Bereiche deutlich übersteigen, so dass sich bei Verwendung einer Mikrowelleneinheit ein deutlicher Geschwindigkeitsvorteil ergibt.
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Die mindestens eine Führungseinheit ist dazu vorgesehen, die Lasereinheit und/oder die Mikrowelleneinheit entlang einer vorgesehenen Kontur zu führen. Es kann sowohl eine einzelne Führungseinheit ausreichen, die mit beiden Energiequellen, d.h. Lasereinheit und Mikrowelleneinheit, gekoppelt ist. Dann könnten beide Energiequellen nacheinander auf den vorgesehenen Abschnitten entsprechend geführt werden und der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung könnte sich dadurch etwas vereinfachen. Es sind allerdings auch separate Führungseinheiten denkbar, die unabhängig voneinander betreibbar sind und beide Energiequellen auch unabhängig und gleichzeitig über der aufgetragenen Schicht führen. Damit könnte eine noch höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit erreicht werden.
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Das pulverförmige Material kann metallische oder keramische Materialien ebenso umfassen wie Kunststoffe. Beispielhaft werden Aluminium und Titan aufweisende Legierungen genannt, die durch die Energiequellen lokal aufgeschmolzen werden, sodass sich die pulverförmigen Partikel in dem aufgeschmolzenen Bereich miteinander und mit dem Substrat verbinden. Pulverförmige Materialien können auch Metalloxide aufweisen. Durch Einwirkung der Energiequellen werden erwärmte Bereiche gesintert und die dort vorliegenden Partikel verbinden sich miteinander und mit dem Substrat. Thermoplastische Kunststoffpartikel können ebenso vorgesehen werden, die durch lokales Aufschmelzen miteinander und mit dem Substrat verbunden werden. Als Beispiele seien PEI, PEAK, PEEK, PEKK, PP und ähnliche Kunststoffe genannt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt voneinander separat. Die beiden Abschnitte sind demnach unabhängig und betreffen unterschiedliche Stellen eines Querschnitts des herzustellenden Bauteils. Nicht sichtbare Bereiche oder Bereiche mit geringen Anforderungen an die Oberflächengüte, wie etwa bei bestimmten Passungen, könnten folglich mit der Mikrowelleneinheit bearbeitet werden. Insbesondere größere Flächen, beispielsweise innenliegende Bereiche eines Querschnitts, eignen sich für die Bearbeitung mit der mindestens einen Mikrowelleneinheit.
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Weiterhin könnten der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt in mindestens einer der Schichten direkt aneinander angrenzen und miteinander verbunden sein. Damit wird sichergestellt, dass das Bauteil insgesamt ein zusammenhängendes Bauteil ist. Dazu müssen der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt zumindest stellenweise miteinander verbunden sein.
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Bevorzugt sind die mindestens eine Lasereinheit und die mindestens eine Mikrowelleneinheit jeweils an einer individuellen Führungseinrichtung angeordnet und dazu ausgebildet, unabhängig voneinander und gleichzeitig auf die betreffende aufgetragene Schicht einzuwirken. Die beiden unterschiedlichen Energiequellen können folglich zur gleichzeitigen Bearbeitung beider Abschnitte genutzt werden, um die Bearbeitungsgeschwindigkeit insgesamt noch weiter zu erhöhen. Es bietet sich an, Bewegungssequenzen der beiden Führungseinrichtungen so aufeinander abzustimmen, dass sich die beiden Führungseinrichtungen sowie die beiden Energiequellen gegenseitig nicht behindern.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lasereinheit mit einer ersten Führungseinrichtung gekoppelt, wobei die erste Führungseinrichtung einen von der Lasereinheit beabstandet angeordneten, bewegbaren Lenkspiegel umfasst, der einen auf den Lenkspiegel gerichteten Laserstrahl auf den ersten Abschnitt lenkt. Die erste Führungseinrichtung kann demgemäß sehr kompakt ausgeführt sein. Ein Lenkspiegel kann ein deutlich kleineres Format als eine Linearführung aufweisen. Der Lenkspiegel umfasst dabei den eigentlichen Spiegel, der von zwei Aktuatoren bewegt wird. Diese können rotatorisch ausgebildet sein und zwei zueinander orthogonale Drehachsen aufweisen. Es kann sich anbieten, den Lenkspiegel mittig über dem Substrat anzuordnen. Es könnte ebenso günstig sein, zwei Lasereinheiten oberhalb zweier Hälften des Substrats anzuordnen, die unabhängig voneinander steuerbar sind. Die unabhängige Bearbeitung des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts wird durch Verwendung eines Lenkspiegels gefördert.
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Allerdings kann die Lasereinheit auch mit einer ersten Führungseinrichtung gekoppelt sein, wobei die erste Führungseinrichtung eine Linearführung umfasst, an dem die Lasereinheit angeordnet ist, wobei die Linearführung dazu ausgebildet ist, die Lasereinheit auf einer zu der betreffenden aufgetragenen Schicht parallelen Ebene zu führen. Die Ausrichtung des Laserstrahls kann dabei stets senkrecht zu dem Substrat bzw. der aufgetragenen Schicht erfolgen, was insbesondere eine gleichbleibende Präzision und Bearbeitungsgeschwindigkeit begünstigt.
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Die mindestens eine Mikrowelleneinheit könnte in einer vorteilhaften Ausführungsform mit einer zweiten Führungseinrichtung gekoppelt sein, wobei die zweite Führungseinrichtung einen bewegbaren Richtspiegel umfasst, an dem ein Mikrowellensender angeordnet ist. Der Richtspiegel kann etwa oberhalb und mittig des Substrats vorgesehen sein und durch Verschwenken die gebündelten Mikrowellen entlang der vorgegebenen Kontur bewegen. Wie bezüglich der mindestens einen Lasereinheit erwähnt kann es auch hilfreich sein, zwei Mikrowelleneinheiten oberhalb von zwei Hälften des Substrats anzuordnen und gleichzeitig die aufgetragene Schicht auf den beiden Hälften zu bearbeiten. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit wird dadurch gesteigert und die beiden Energiequellen können etwa an zwei zueinander orthogonal angeordneten, parallel zu der aufgetragenen Schicht verlaufenden Achsen angeordnet werden.
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Allerdings könnte auch die mindestens eine Mikrowelleneinheit mit einer zweiten Führungseinrichtung gekoppelt sein, wobei die zweite Führungseinrichtung eine Linearführung umfasst, an der die mindestens eine Mikrowelleneinheit angeordnet ist, wobei die Linearführung dazu ausgebildet ist, die mindestens eine Mikrowelleneinheit auf einer zu der betreffenden aufgetragenen Schicht parallelen Ebene zu führen. Wie vorangehend bereits erwähnt, kann die Ausrichtung der Mikrowellen dann stets senkrecht zu dem Substrat bzw. der aufgetragenen Schicht erfolgen.
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Die Linearführungen könnten auch kombiniert sein, sodass sowohl die mindestens eine Lasereinheit als auch die mindestens eine Mikrowelleneinheit an einer einzelnen Linearführung angeordnet sind. Sie können nacheinander durch die Linearführung bewegt werden. Der Aufbau der Vorrichtung ist dadurch vereinfacht.
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Besonders bevorzugt weist die Vorrichtung eine geschlossene Kammer auf, in der das Substrat angeordnet ist, wobei das Substrat dazu ausgebildet ist, vor oder nach dem Einbringen einer Schicht abgesenkt zu werden. Die Herstellung des Bauteils wird nicht durch Störungen von außen beeinträchtigt.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau eines dreidimensionalen Bauteils aufweisend die Schritte, die ein- oder mehrfach durchgeführt werden: Zuführen eines pulverförmigen Materials und Bedecken eines Substrats mit einer Schicht des pulverförmigen Materials, Führen mindestens einer Lasereinheit entlang vorgegebener Konturen über einen ersten Abschnitt der aufgetragenen Schicht und Führen mindestens einer Mikrowelleneinheit entlang vorgegebener Konturen über einen zweiten Abschnitt der aufgetragenen Schicht, und selektives Erwärmen des jeweiligen, durch die mindestens eine Lasereinheit und die mindestens eine Mikrowelleneinheit überstrichenen Abschnitts der aufgetragenen Schicht, so dass ein zusammenhängendes Bauteil entsteht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt voneinander separat. Die beiden Abschnitte können gleichzeitig oder nacheinander bearbeitet werden.
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Bevorzugt grenzen der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt in mindestens einer der Schichten direkt aneinander an und werden zumindest bereichsweise miteinander verbunden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die mindestens eine Lasereinheit und die mindestens eine Mikrowelleneinheit gleichzeitig entlang der vorgegebenen Kontur geführt. Dies erhöht die Bearbeitungsgeschwindigkeit.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
- 1a und 1b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in zwei Teilansichten.
- 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
- 3 zeigt das erste Ausführungsbeispiel in einer vollständigen Übersicht, analog zu 2.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER
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AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1a zeigt einen vereinfachten Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 zum schichtweisen Aufbau eines dreidimensionalen Bauteils. Zur Klarstellung des erfindungsgemäßen Prinzips sind in 1a und 1b jeweils Komponenten der Vorrichtung 2 weggelassen.
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1a zeigt ein Substrat 4, auf dem bereits mehrere Schichten eines Bauteils hergestellt sind. An einer dem Substrat 4 entgegengesetzten Seite der Vorrichtung 2 ist eine erste Führungseinrichtung 6 angeordnet, die hier beispielhaft als eine Linearführung ausgebildet ist. Die erste Führungseinrichtung 6 könnte in zwei zueinander orthogonale Richtungen bewegt werden. An der ersten Führungseinrichtung 6 ist eine Lasereinheit 8 angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, einen gebündelten Lichtstrahl 12 abzugeben.
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Eine hier nicht dargestellte Zufuhreinheit ist dazu ausgebildet, eine Schicht 10 eines pulverförmigen Materials bereitzustellen und damit das Substrat 4 bzw. alle bereits darauf befindlichen Schichten des Bauteils zu bedecken. Mittels der ersten Führungseinrichtung 6 kann die Lasereinheit 8 einen ersten Abschnitt 14 der aufgetragenen Schicht 10 überstreichen. Der erste Abschnitt 14 wird dabei exemplarisch als eine Außenkontur des Bauteils ausgeführt. Da die Lasereinheit 8 einen besonders feinen Laserstrahl 12 abgibt, können damit besonders feine Konturen in dem ersten Abschnitt 14 hergestellt werden. Allerdings ist die damit erreichbare Bearbeitungsgeschwindigkeit mitunter nicht besonders hoch.
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1b zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 2, bei der die gezeigte Lasereinheit 8 sowie die erste Führungseinrichtung 6 zur Verbesserung der Übersichtlichkeit weggelassen werden. Stattdessen ist hier eine zweite Führungseinrichtung 16 vorgesehen, die ebenfalls als Linearführung ausgebildet ist. Sie trägt eine Mikrowelleneinheit 18, die gebündelte Mikrowellen 20 abgibt. Die Mikrowelleneinheit 18 ist dafür vorgesehen, einen zweiten Abschnitt 22 zu überstreichen und so das Pulver zu einem zusammenhängenden Material zu formen. Die Mikrowellen 20 sind dabei nicht ganz so stark gebündelt, wie der Laserstrahl 12 der Lasereinheit 8. Aufgrund der höheren Energiedichte kann jedoch mit den Mikrowellen 20 eine schnellere Bearbeitung der aufgetragenen Schicht 10 erfolgen. Allerdings sind keine so präzisen Konturen zu erwarten, wie mit der Lasereinheit 8. Der zweite Abschnitt 22 ist demzufolge in dem vorliegenden Beispiel als ein innerhalb des ersten Abschnitts 14 liegender Flächenbereich ausgewählt. Damit wird ein deutlich größeres Volumen des Bauteils hergestellt.
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In 2 wird eine alternative Vorrichtung 24 dargestellt, bei der andere Führungseinrichtungen verwendet werden. Hier ist das Substrat 4 in vertikaler Richtung bewegbar. Nach dem Auftragen einer Schicht 10 wird das Substrat 4 bevorzugt um die Schichtstärke abgesenkt, sodass eine Oberseite der aufgetragenen Schicht 10 auf derselben Bearbeitungshöhe liegt, wie die einer vorher aufgetragenen Schicht 10.
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Eine Zufuhreinheit 26 weist an einer Unterseite einen Kolben 28 mit einer Kolbenfläche auf, die bevorzugt mit der Fläche des Substrats 4 korrespondiert. Auf dem Kolben 28 liegt ein pulverförmiges Material 30 vor. Eine Fördereinheit 32 kann eine Schicht 10 auf das Substrat 4 auftragen, indem es von der über dem Kolben 28 liegenden Pulvermenge abgetragen wird. Hierzu können der Kolben 28 und das Substrat 4 in einander entgegengesetzten Richtungen um dieselbe Strecke bewegt werden.
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Die in 1b gezeigte Mikrowelleneinheit 18 ist in dieser Variante mittels Schwenkantrieben 34 als zweite Führungseinrichtung um zwei orthogonal zueinander stehende Schwenkachsen 36 und 38 verschwenkbar, sodass die gebündelten Mikrowellen 20 über der aufgetragenen Schicht 10 bewegt werden können. Durch Ansteuerung der Schwenkantriebe 32 können die Mikrowellen 20 folglich auf dem zweiten Abschnitt 22 bewegt werden und dort das pulverförmige Material 30 lokal erwärmen. Die Lasereinheit 8 gibt indes ihren Laserstrahl 12 auf einen Lenkspiegel 40 als erste Führungseinrichtung ab, der den Laserstrahl 12 dann in dem ersten Abschnitt 14 der aufgetragenen Schicht 10 bewegt. Die Vorrichtung 24 weist weiterhin eine geschlossene Kammer 42 auf, die das Einwirken von externen Störungen verhindert. Beispielhaft ist ein Bauteil 44 dargestellt, welches Schicht für Schicht aufgebaut wird.
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Der besondere Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass sehr bequem die Lasereinheit 8 und die Mikrowelleneinheit 18 gleichzeitig die aufgetragene Schicht 10 bearbeiten können. Führungseinrichtungen behindern sich nicht gegenseitig und die Bearbeitungsgeschwindigkeit zum Herstellen des gewünschten Bauteils wird deutlich verbessert.
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Der Vollständigkeit halber wird in 3 die Vorrichtung 2 in einer vollständigen Übersicht gezeigt, analog zu 2, mit den Führungseinrichtungen 6 und 16 aus 1a und 1b.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt, und „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Vorrichtung
- 4
- Substrat
- 6
- erste Führungseinrichtung
- 8
- Lasereinheit
- 10
- aufgetragene Schicht
- 12
- Laserstrahl
- 14
- erster Abschnitt
- 16
- zweite Führungseinrichtung
- 18
- Mikrowelleneinheit
- 20
- Mikrowellen
- 22
- zweiter Abschnitt
- 24
- Vorrichtung
- 26
- Zufuhreinheit
- 28
- Kolben
- 30
- pulverförmiges Material
- 32
- Fördereinheit
- 34
- Schwenkantrieb
- 36
- Schwenkachse
- 38
- Schwenkachse
- 40
- Lenkspiegel
- 42
- Kammer
- 44
- Bauteil
