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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum additiven Herstellen von Bauteilen.
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Bei der additiven Herstellung eines Bauteils kann es erforderlich sein, während des Fertigungsprozesses Stützstrukturen zusätzlich zu der eigentlichen Bauteilgeometrie zu erzeugen, die Bereiche des Bauteils abstützen. Diese Stützstrukturen werden im Anschluss an den additiven Fertigungsprozess entfernt. Die Stützstrukturen können insbesondere manuell oder mittels elektrochemischer Verfahren entfernt werden. Eine manuelle Entfernung ist personalintensiv und aufwendig. Bei einer elektrochemischen Entfernung ist problematisch, dass das Bauteil während des gesamten Prozesses elektrisch kontaktiert bleiben muss, während jedoch zugleich das Volumen der Stützstrukturen, welche insbesondere das Bauteil mit einer Substratplatte verbinden, abnimmt, bis die Stützstrukturen letztlich komplett entfernt sind. Dabei kann auch eine Identifikation des Bauteils und/oder eine Information über eine Position des Bauteils auf der Substratplatte verlorengehen, beziehungsweise die Position des Bauteils relativ zu der Substratplatte kann sich aufgrund der entfernten Stützstrukturen verändern. Darüber hinaus existiert derzeit keine Möglichkeit, die Entfernung der Stützstrukturen zu automatisieren und insbesondere mit dem eigentlichen additiven Fertigungsprozess zu einem auch insgesamt automatisierten Verfahren zu verbinden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum additiven Herstellen von Bauteilen zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum additiven Herstellen von Bauteilen geschaffen wird, welches folgende Schritte aufweist: Wenigstens ein Bauteil wird additiv auf einem Trägerelement, das auch als Substrat oder Substratplatte bezeichnet wird, aufgebaut. Es wird wenigstens eine Stützstruktur an dem Bauteil ausgebildet. Ein erstes Stärkemaß für die wenigstens eine Stützstruktur wird vorgegeben. Es wird wenigstens eine Funktionsstruktur an dem Bauteil ausgebildet. Für die wenigstens eine Funktionsstruktur wird ein zweites Stärkemaß vorgegeben, das größer ist als das erste Stärkemaß. Das Bauteil wird einer elektrochemischen Behandlung unterzogen, bei welcher die wenigstens eine Stützstruktur entfernt wird, wobei die wenigstens eine Funktionsstruktur erhalten bleibt. Die wenigstens eine Funktionsstruktur wird nach der elektrochemischen Behandlung mittels eines nichtelektrochemischen Verfahrens entfernt. Insbesondere wird die wenigstens eine Stützstruktur mit dem ersten Stärkemaß ausgebildet. Die wenigstens eine Funktionsstruktur wird insbesondere mit dem zweiten Stärkemaß ausgebildet.
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Die wenigstens eine Funktionsstruktur kann in vorteilhafter Weise eine Mehrzahl von Funktionen ausfüllen, wobei es grundsätzlich genügt, wenn sie wenigstens eine Funktion, insbesondere ausgewählt aus den im Folgenden genannten Funktionen, ausfüllt: Die Funktionsstruktur ermöglicht eine stabile, fortwährende elektrische Kontaktierung des Bauteils während der Entfernung der wenigstens einen Stützstruktur, da sie nicht zugleich mit der wenigstens einen Stützstruktur entfernt wird, sondern vielmehr erhalten bleibt. Alternativ oder zusätzlich, besonders bevorzugt zusätzlich, ermöglicht es die wenigstens eine Funktionsstruktur, dass die Position des Bauteils relativ zu dem Trägerelement während der elektrochemischen Behandlung erhalten bleibt, insbesondere indem sie das Bauteil mechanisch stützt und/oder hält. Dies wiederum verhindert, dass eine Identifikation des Bauteils und/oder eine Information über die Position des Bauteils relativ zu dem Trägerelement während der elektrochemischen Behandlung verlorengeht oder ungültig wird. Alternativ oder zusätzlich, vorzugsweise zusätzlich, stützt die wenigstens eine Funktionsstruktur das Bauteil während nachfolgender Verfahrensschritte nach der elektrochemischen Behandlung, beispielsweise bei einer Oberflächennachbearbeitung, insbesondere zur Verringerung einer Oberflächenrauigkeit.
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Indem das wenigstens eine erste Stärkemaß vorgegeben wird, wird zugleich eine Information definiert, die für die elektrochemische Behandlung relevant ist, insbesondere da das erste Stärkemaß eine Vorgabe der Dauer und/oder der Art der Verfahrensführung der elektrochemischen Behandlung erlaubt, um die wenigstens eine Stützstruktur sicher und vollständig zu entfernen. Zumindest das erste Stärkemaß kann somit dem Bauteil als Information mitgegeben werden, sodass die elektrochemische Behandlung teilautomatisiert oder bevorzugt automatisiert auf der Grundlage dieser Information durchgeführt werden kann. Insbesondere erlaubt dies auch eine Kombination der additiven Fertigung mit der elektrochemischen Behandlung zu einem teilautomatisierten oder bevorzugt vollautomatisierten Herstellungsverfahren.
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Unter einem additiven Herstellen oder additiven Aufbauen wird insbesondere ein Verfahren verstanden, bei welchem das wenigstens eine Bauteil schichtweise aus einem Pulvermaterial aufgebaut wird, insbesondere indem das Pulvermaterial schichtweise lokal aufgeschmolzen oder gesintert wird. Als Pulvermaterial wird dabei bevorzugt ein Metallpulver verwendet, sodass im Ergebnis ein metallisches Bauteil schichtweise additiv aufgebaut wird. Insbesondere wird unter einem additiven Aufbauen ein Fertigungsverfahren verstanden, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem selektiven Lasersintern, einem Laser-Metall-Fusionieren (Laser Metal Fusion - LMF), einem selektiven Plasmasintern, einem Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting - EBM), einem direkten Metall-Laser-Schmelzen (Direct Metal Laser Melting - DMLM), einem 3D-Drucken, und einem Elektronenstrahlsintern.
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Unter einer Stützstruktur wird hier eine geometrische Struktur, insbesondere wenigstens ein Stützelement, verstanden, welche zusätzlich zu der eigentlichen Bauteilgeometrie gebildet wird, um das zu bildendende oder gebildete Bauteil zumindest abschnittsweise zu stützen. Eine solche Stützstruktur wird auch als Support-Struktur bezeichnet. Die wenigstens eine Stützstruktur wird insbesondere beim additiven Aufbauen des wenigstens einen Bauteils mit ausgebildet, insbesondere additiv mit aufgebaut, besonders bevorzugt aus demselben Pulvermaterial, insbesondere Metallpulver, aus welchem das Bauteil selbst aufgebaut wird.
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Unter einer Funktionsstruktur wird eine geometrische Struktur, insbesondere wenigstens ein Funktionselement, verstanden, die/das zusätzlich zu der eigentlichen Bauteilgeometrie und zusätzlich zu der wenigstens einen Stützstruktur vorgesehen ist, insbesondere um bevorzugt zumindest eine der zuvor genannten Funktionen auszufüllen. Die Funktionsstruktur wird bevorzugt während des additiven Aufbauens des Bauteils mit ausgebildet, insbesondere additiv mit aufgebaut, besonders bevorzugt aus demselben Pulvermaterial, insbesondere Metallpulver, wie das Bauteil.
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Unter einem Stärkemaß wird ein Maß verstanden, das eine Stärke, insbesondere eine Breite oder Dicke, einer geometrischen Struktur, insbesondere der Stützstruktur oder der Funktionsstruktur, - an einem bestimmten Ort der Struktur oder für die gesamte Struktur - angibt. Das Stärkemaß ist bevorzugt so gemessen oder definiert, dass es eine Aussage darüber erlaubt, wie rasch die entsprechende, das Stärkemaß aufweisende Struktur durch eine elektrochemische Behandlung entfernt werden kann. Insbesondere handelt es sich bei dem Stärkemaß um eine in einer Ebene einer Pulverschicht des schichtweise aufzubauenden Bauteils gemessene Breite oder Dicke der entsprechenden geometrischen Struktur.
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Dass das zweite Stärkemaß für die wenigstens eine Funktionsstruktur größer ist als das erste Stärkemaß bedeutet somit insbesondere, dass die Funktionsstruktur weniger rasch oder weniger effizient durch die elektrochemische Behandlung entfernt werden kann als die Stützstruktur. Dementsprechend kann während der elektrochemischen Behandlung die Stützstruktur vollständig entfernt werden, wobei zugleich die wenigstens eine Funktionsstruktur zumindest bereichsweise erhalten bleibt.
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Insbesondere ist das zweite Stärkemaß bevorzugt so gewählt, dass es größer ist, als das größte erste Stärkemaß einer Mehrzahl von Stützstrukturen. Sind demnach verschiedene Stützstrukturen mit verschiedenen ersten Stärkemaßen vorgesehen, weist die wenigstens eine Funktionsstruktur bevorzugt ein zweites Stärkemaß auf, welches größer ist als das größte erste Stärkemaß der verschiedenen Stützstrukturen. Dies gewährleistet, dass die wenigstens eine Funktionsstruktur während der elektrochemischen Behandlung erhalten bleiben kann, wobei zugleich alle Stützstrukturen - einschließlich der das größte erste Stärkemaß aufweisenden Stützstruktur - entfernt werden können.
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Das Bauteil wird additiv auf dem Trägerelement insbesondere derart aufgebaut, dass es über die wenigstens eine Stützstruktur und die wenigstens eine Funktionsstruktur mit dem Trägerelement mechanisch verbunden ist. Insbesondere wird das Bauteil bevorzugt einstückig, besonders bevorzugt materialeinheitlich, mit dem Trägerelement ausgebildet.
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Das Bauteil wird der elektrochemischen Behandlung insbesondere nach dem additiven Fertigen unterzogen. Es wird somit zuerst das Bauteil auf dem Trägerelement fertig additiv aufgebaut; danach wird das Bauteil der elektrochemischen Behandlung unterzogen.
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Dass die wenigstens eine Funktionsstruktur erhalten bleibt, bedeutet insbesondere, dass sie zumindest bereichsweise erhalten bleibt. Die Funktionsstruktur kann insbesondere durch die elektrochemische Behandlung geschwächt werden. Sie wird aber jedenfalls nicht vollständig entfernt. Insbesondere bleibt sie soweit erhalten, dass sie zumindest eine der oben genannten Funktionen auch nach der elektrochemischen Behandlung weiter ausfüllen kann. Insbesondere bleibt sie soweit erhalten, dass sie das Bauteil relativ zu dem Trägerelement mechanisch stützen oder halten sowie dessen Position konstant definieren kann.
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Die wenigstens eine Funktionsstruktur wird vorzugsweise nach der elektrochemischen Behandlung - sowie gegebenenfalls nach weiteren Verfahrensschritten - manuell oder maschinell, insbesondere spanabhebend, bevorzugt durch Brechen, Sägen, oder in anderer geeigneter Weise, entfernt.
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Für die elektrochemische Behandlung wird bevorzugt das Trägerelement elektrisch kontaktiert. Das wenigstens eine Bauteil ist dann über die wenigstens eine Funktionsstruktur elektrisch mit dem Trägerelement verbunden und somit ebenfalls elektrisch kontaktiert. Insbesondere liegt das wenigstens eine Bauteil bevorzugt vermittelt über die wenigstens eine Funktionsstruktur stets auf einem selben Potential wie das unmittelbar elektrisch kontaktierte oder angeschlossene Trägerelement.
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Die elektrochemische Behandlung wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform durchgeführt, wie dies in der österreichischen Patentanmeldung
AT 519430 A1 oder in der internationalen Veröffentlichung
WO 2018/102845 A1 beschrieben ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Stärkemaß vor dem additiven Aufbauen des Bauteils bestimmt, insbesondere festgelegt oder definiert wird, wobei eine Soll-Geometrie für das aufzubauende Bauteil in Abhängigkeit von dem bestimmten, insbesondere festgelegten ersten Stärkemaß zu einer Vorgabe-Geometrie verändert wird, wobei eine Vorrichtung zum additiven Aufbauen des Bauteils anhand der Vorgabe-Geometrie angesteuert wird. Dies erlaubt es in vorteilhafter Weise, das Bauteil beim additiven Aufbauen so zu fertigen, dass es nach der elektrochemischen Behandlung der Soll-Geometrie zumindest weitgehend entspricht.
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Insbesondere wird die Soll-Geometrie bevorzugt derart in Abhängigkeit von dem ersten Stärkemaß zu der Vorgabe-Geometrie verändert, dass eine Ist-Geometrie des Bauteils nach der elektrochemischen Behandlung der Soll-Geometrie angenähert, vorzugsweise mit der Soll-Geometrie in Übereinstimmung gebracht wird.
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Unter einer Geometrie des Bauteils wird dabei insbesondere dessen äußere Form und/oder Gestalt verstanden, vorzugsweise gegeben durch eine Mehrzahl von Maßen, insbesondere Längen-, Höhen- und Breitenmaße, Winkel, Durchmesser, oder dergleichen.
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Die Soll-Geometrie ist dabei diejenige Geometrie, die vorab für das fertige Bauteil nach der Herstellung vorgegeben wird, insbesondere also eine Nenn-Geometrie, insbesondere definiert durch Nennmaße für das Bauteil. Die Vorgabe-Geometrie ist eine Geometrie, insbesondere eine Mehrzahl von Maßen, die zur Ansteuerung der Vorrichtung zur additiven Fertigung des Bauteils verwendet wird. Insbesondere wird das Bauteil mit der Vorgabe-Geometrie additiv aufgebaut. Es weist also nach dem additiven Fertigen und vor der elektrochemischen Behandlung insbesondere die Vorgabe-Geometrie auf. Die Ist-Geometrie ist diejenige Geometrie, die das Bauteil nach der elektrochemischen Behandlung aufweist, insbesondere also gegeben durch die Maße, die an dem Bauteil nach der elektrochemischen Behandlung gemessen werden können.
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Während der elektrochemischen Behandlung wird Material von dem Bauteil nicht nur in den Bereichen der wenigstens einen Stützstruktur, sondern überall abgetragen. Somit verändert sich die Geometrie des Bauteils durch die elektrochemische Behandlung. Die Vorgabe-Geometrie wird nun bevorzugt gerade so bestimmt, dass die Ist-Geometrie nach der elektrochemischen Behandlung der Soll-Geometrie angenähert, vorzugsweise mit der Soll-Geometrie in Übereinstimmung gebracht wird.
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Insbesondere wird die Soll-Geometrie zumindest bereichsweise aufgedickt, also verstärkt, um die Vorgabe-Geometrie zu erhalten. Dies berücksichtigt den Materialabtrag bei der späteren elektrochemischen Behandlung. Das Aufdicken erfolgt insbesondere in Abhängigkeit von dem ersten Stärkemaß, da dieses letztlich die elektrochemisch abzutragende Materialmenge vorgibt.
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Insbesondere wird die Soll-Geometrie in Abhängigkeit von dem größten ersten Stärkemaß zu der Vorgabe-Geometrie verändert, da das größte erste Stärkemaß einer Mehrzahl von Stützstrukturen die elektrochemisch maximal abzutragende Materialmenge oder Materialstärke bestimmt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als erstes Stärkemaß ein globales Maximum der Stärkemaße einer Mehrzahl von Stützstrukturen verwendet wird, die an dem Bauteil ausgebildet werden. Das globale Maximum der Stärkemaße entspricht dabei dem bereits zuvor genannten größten Stärkemaß. Dies ist insbesondere günstig, wenn die Stützstrukturen komplett elektrochemisch beseitigt werden sollen, ohne dass Reste bestehen bleiben, beispielsweise weil eine mechanische Nachbearbeitung am Ort der Stützstrukturen nicht erwünscht oder nicht möglich ist, beispielsweise bei innenliegenden Stützstrukturen.
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Alternativ ist es möglich, dass als erstes Stärkemaß ein globales Sollbruchstellen-Maximum der wenigstens einen Stützstruktur verwendet wird. Unter einem globalen Sollbruchstellen-Maximum wird dabei eine maximale Stärke einer Sollbruchstelle der wenigstens einen Stützstruktur, insbesondere aller Stützstrukturen, verstanden, wobei die wenigstens eine Stützstruktur im Bereich der Sollbruchstelle elektrochemisch zumindest so weit geschwächt, vorzugsweise aufgelöst, werden soll, dass sie sich von dem Bauteil und/oder dem Trägerelement löst. Es bedarf dann keiner kompletten Auflösung der Stutzstruktur. Unter einem vollständigen Entfernen der Stützstruktur wird demnach auch verstanden, dass diese von dem Bauteil abgetrennt und damit beseitigt wird. Gegebenenfalls an dem Bauteil verbleibende Reste der Stützstruktur werden bevorzugt anschließend mechanisch entfernt. Die Sollbruchstelle ist bevorzugt möglichst nah an dem Bauteil angeordnet, so dass höchstens kleine Reste der Stützstruktur bestehen bleiben. In dem Fall, dass als erstes Stärkemaß ein globales Sollbruchstellen-Maximum der wenigstens einen Stützstruktur verwendet wird, kann die Stützstruktur an anderen Stellen außerhalb der Sollbruchstelle eine Stärke aufweisen, die größer ist als das erste Stärkemaß.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Stärkemaß um einen Faktor von mindestens 1,02, vorzugsweise mindestens 1,05, vorzugsweise bis höchstens 1,5, vorzugsweise bis höchstens 1,4, vorzugsweise bis höchstens 1,3, vorzugsweise bis höchstens 1,2, vorzugsweise bis höchstens 1,13, vorzugsweise bis höchstens 1,1, größer gewählt wird als das erste Stärkemaß. Diese Wertebereiche haben sich als besonders geeignet herausgestellt, um zu gewährleisten, dass die Funktionsstruktur in ausreichendem Maß nach der elektrochemischen Behandlung erhalten bleibt, um zumindest eine der oben genannten Funktionen weiter auszufüllen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Trägerelement beim additiven Aufbauen des Bauteils mit additiv aufgebaut wird. Das Bauteil wird somit gemeinsam mit dem Trägerelement, insbesondere einstückig mit diesem, vorzugsweise materialeinheitlich mit diesem, aus dem Pulvermaterial, insbesondere dem Metallpulver, additiv aufgebaut.
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Zugleich werden dabei in bevorzugter Weise die wenigstens eine Stützstruktur und die wenigstens eine Funktionsstruktur mit dem Trägerelement und dem Bauteil additiv aufgebaut, wobei das Bauteil über die wenigstens eine Stützstruktur und über die wenigstens eine Funktionsstruktur mit dem Trägerelement verbunden ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Mehrzahl von Bauteilen auf dem Trägerelement aufgebaut werden. Es wird bevorzugt ein Trägerelement aufgebaut, auf welchem - insbesondere voneinander beabstandet - mehrere Bauteile aufgebaut werden. Die Positionen der Bauteile relativ zueinander und relativ zu dem Trägerelement werden dabei in bevorzugter Ausgestaltung insbesondere durch die wenigstens eine Funktionsstruktur pro Bauteil definiert und in definierter Weise auch während und nach der elektrochemischen Behandlung beibehalten.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für das wenigstens eine Bauteil ein Datensatz erstellt wird, der wenigstens eine Information umfasst, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus dem ersten Stärkemaß, dem zweiten Stärkemaß, der Anzahl von Bauteilen auf dem Trägerelement, einem Bauteilvolumen eines Bauteils, einer Bauteiloberfläche eines Bauteils, einem Stützvolumen, einer Stützoberfläche, einem Material, aus dem das wenigstens eine Bauteil aufgebaut wird oder ist, einem Volumenverhältnis, gebildet aus dem Bauteilvolumen dividiert durch die Summe aus dem Stützvolumen und einem Funktionsvolumen, einem Oberflächenverhältnis, gebildet aus der Bauteiloberfläche dividiert durch eine Summe aus der Stützoberfläche und einer Funktionsoberfläche, wenigstens einem Identifikationsdatum für das Bauteil, und einem Verweis zu einem Datenspeicherort, wobei der Datensatz gemeinsam mit einem Fertigungsauftrag für das Bauteil und/oder gemeinsam mit dem Bauteil zwischen wenigstens zwei Fertigungsstationen weitergegeben wird. Der Datensatz ermöglicht dabei eine zumindest weitgehend automatisierte oder automatische Herstellung des Bauteils, insbesondere eine zumindest weitgehend automatisierte oder automatische Durchführung des Verfahrens, wobei sowohl das additive Aufbauen des Bauteils als auch die nachfolgende elektrochemische Behandlung, gegebenenfalls einschließlich weiterer, nachfolgender Verfahrensschritte, automatisiert auf der Grundlage des Datensatzes durchgeführt werden kann/können.
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Die wenigstens eine Information erlaubt dabei insbesondere eine Aussage über das im Wege der elektrochemischen Behandlung zu entfernende Material und/oder die Prozessführung für die elektrochemische Behandlung.
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Unter einem Bauteilvolumen wird dabei das Volumen eines einzelnen Bauteils, vorzugsweise ohne das Stützvolumen und das Funktionsvolumen, verstanden.
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Unter einem Stützvolumen wird das Volumen aller Stützstrukturen eines einzelnen Bauteils, das heißt eine Summe über die Einzel-Stützvolumina aller Stützstrukturen, die das Bauteil aufweist, verstanden.
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Unter einem Funktionsvolumen wird analog das Volumen aller Funktionsstrukturen eines einzelnen Bauteils, das heißt die Summe über die Einzel-Funktionsvolumina aller Funktionsstrukturen des Bauteils, verstanden.
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Unter einer Stützoberfläche wird analog die Summe der Oberflächen aller Stützstrukturen eines einzelnen Bauteils verstanden.
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Unter einer Funktionsoberfläche wird analog die Summe aller Oberflächen aller Funktionsstrukturen eines einzelnen Bauteils verstanden.
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Unter einer Bauteiloberfläche wird die Oberfläche eines einzelnen Bauteils, vorzugsweise ohne die Stützoberfläche und die Funktionsoberfläche verstanden.
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Unter einem Material des Bauteils wird insbesondere das verwendete Pulvermaterial, insbesondere das verwendete Metallpulver, zum Aufbauen des Bauteils verstanden. Sollte das Pulvermaterial Zusätze aufweisen, beispielsweise zur Erhöhung der Rieselfähigkeit oder zum Vermeiden von Verklumpungen, wobei die Zusätze gegebenenfalls beim Aufbauen des Bauteils entfernt werden, beispielsweise indem sie verdampfen, wird unter einem Material des Bauteils vorzugsweise dasjenige Material verstanden, welches in dem additiv aufgebauten Bauteil verbleibt, mithin derjenige Bestandteil des Pulvermaterials oder diejenigen Bestandteile des Pulvermaterials, die keine Zusätze sind. Alternativ oder zusätzlich wird unter dem Material dasjenige Material verstanden, aus dem das fertige Bauteil besteht.
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Unter einem Identifikationsdatum für das Bauteil wird insbesondere ein Datum, oder eine Mehrzahl von Daten, insbesondere ein Code, ein Piktogramm oder dergleichen, verstanden, das eine - vorzugsweise eindeutige - Identifikation des Bauteils, sei es in Form der Zuordnung zu einem Baumuster, einer Serie, einer Charge, oder als Individuum, erlaubt.
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Unter einem Verweis zu einem Datenspeicherort wird insbesondere eine Angabe verstanden, die einen Zugriff auf einen - gegebenenfalls entfernt angeordneten - Datenspeicherort, sei es ein Datenträger, ein Server, ein Netzwerk, oder dergleichen, erlaubt. Insbesondere wird unter einem solchen Verweis ein Link, insbesondere Hyperlink, verstanden.
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Wird dem Bauteil lediglich ein Identifikationsdatum oder ein Verweis zu einem Datenspeicherort beigefügt, ist es bevorzugt anhand des Identifikationsdatums oder Verweises möglich, weitere Daten und/oder den zugehörigen Fertigungsauftrag von anderer Stelle zu holen, insbesondere herunterzuladen. Dies erlaubt eine Weitergabe einer beschränkten Informationsmenge mit dem Bauteil bei gleichzeitiger Bereitstellung von weiterführenden Informationen - insbesondere für alle Fertigungsstationen - an anderer, bevorzugt zentraler Stelle.
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Unter einem Fertigungsauftrag wird hier eine auch als „Job“ oder „Baujob“ bezeichnete Menge von Anweisungen für die Herstellung des Bauteils inklusive der additiven Fertigung und der elektrochemischen Behandlung, sowie gegebenenfalls einschließlich weiterer Herstellschritte, verstanden.
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Unter einer Fertigungsstation wird ein logischer, zeitlicher und/oder räumlicher Bereich verstanden, in dem ein Teilabschnitt des Herstellungsverfahrens, insbesondere das additive Aufbauen oder die elektrochemische Behandlung, durchgeführt wird. Dabei ist es insbesondere möglich, dass das additive Aufbauen einerseits und die elektrochemische Behandlung andererseits in verschiedenen Vorrichtungen, mithin insbesondere in verschiedenen räumlichen Fertigungsstationen, durchgeführt werden. Der Fertigungsauftrag wird in diesem Fall von einer ersten Fertigungsstation zum additiven Aufbauen an eine zweite Fertigungsstation für die elektrochemische Behandlung weitergegeben.
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Es ist möglich, dass der Fertigungsauftrag und/oder der Datensatz dem Bauteil in verkörperter Form beigefügt wird, insbesondere in maschinenlesbarer Form, sei es auf einem RFID-Träger, in Form eines maschinenlesbaren Codes, beispielsweise eines QR-Codes oder Bar-Codes, oder in anderer geeigneter Form. Es ist aber gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung auch möglich, dass der Fertigungsauftrag, der Datensatz, oder der Fertigungsauftrag gemeinsam mit dem Datensatz, allgemein auch als Daten bezeichnet, separat von dem Bauteil, insbesondere in rein elektronischer, insbesondere unverkörperter Form, weitergegeben wird/werden, insbesondere auf einem kabelgebundenen oder kabellosen Übertragungsweg, beispielsweise über Bluetooth, WLAN, allgemein eine Funkverbindung, eine Infrarotverbindung, oder in anderer geeigneter Weise. Insbesondere werden die Daten bevorzugt über ein definiertes Übertragungsprotokoll übertragen, vorzugsweise über ein globales oder lokales Netzwerk. Es ist auch möglich, dass die Daten per E-Mail oder mittels eines Kurznachrichtendienstes versandt wird.
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Mit dem Datensatz wird insbesondere wenigstens ein Verfahrensschritt des Verfahrens parametriert.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Bauteil in einer ersten Fertigungsstation additiv aufgebaut wird, wobei das wenigstens eine Bauteil in einer zweiten Fertigungsstation elektrochemisch behandelt wird, wobei der Datensatz von der ersten Fertigungsstation zu der zweiten Fertigungsstation übergeben wird. Dabei ergeben sich insbesondere die bereits zuvor genannten Vorteile.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrochemische Behandlung automatisiert durchgeführt wird, insbesondere gesteuert durch den Datensatz. Dabei wird insbesondere der Datensatz zur Parametrierung der elektrochemischen Behandlung verwendet. Bevorzugt ist die gesamte Prozesskette einschließlich des additiven Aufbauens und der elektrochemischen Behandlung automatisiert, wobei bevorzugt zumindest ein Verfahrensschritt mittels des Datensatzes parametriert wird. Vorzugsweise sind aber auch manuelle Anpassungen möglich.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Bauteil für die elektrochemische Behandlung in ein Gefäß getaucht wird, wobei das Trägerelement als Deckelement, insbesondere als Deckel und/oder Verschluss, für das Gefäß während der elektrochemischen Behandlung verwendet wird. Dies stellt eine besonders einfache Ausgestaltung des Verfahrens dar, wobei es keines zusätzlichen Deckels oder Verschlusses für das Gefäß bedarf. Die Verwendung des Trägerelements als Deckelement für das Gefäß zur elektrochemischen Behandlung ist insbesondere möglich, weil das wenigstens eine Bauteil auch nach Beendigung der elektrochemischen Behandlung durch die zumindest bereichsweise erhalten gebliebene Funktionsstruktur sicher und stabil an dem Trägerelement gehalten wird. Somit besteht keine Gefahr, dass sich das Bauteil während der elektrochemischen Behandlung von dem Trägerelement löst und gegebenenfalls in das Gefäß hineinfällt. Vielmehr kann das Bauteil nach Beendigung der elektrochemischen Behandlung ohne weiteres aus dem Gefäß entnommen werden, indem das Trägerelement von dem Gefäß entfernt wird. Weiterhin kommt auf diese Weise das Trägerelement selbst nicht oder höchstens bereichsweise mit einem Fluid für die elektrochemische Behandlung in Kontakt und kann daher später uneingeschränkt weiter- und/oder wiederverwendet werden.
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Die elektrochemische Behandlung erfolgt bevorzugt in einem sauren Medium, welches in dem Gefäß angeordnet ist. Das wenigstens eine Bauteil wird dabei für die elektrochemische Behandlung in das saure Medium innerhalb des Gefäßes eingetaucht.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines additiv herzustellenden Bauteils;
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen von Bauteilen in Form eines Flussdiagramms, und
- 3 eine weitere schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines additiv herzustellenden Bauteils 1, welches insbesondere im Rahmen einer im Folgenden erläuterten Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines solchen Bauteils hergestellt wird. Das Bauteil 1 wird additiv auf einem Trägerelement 3 aufgebaut. Dabei wird gemäß der im Folgenden noch erläuterten Ausführungsform des Verfahrens wenigstens eine Stützstruktur an dem Bauteil 1 ausgebildet, wobei hier verschiedene Stützstrukturen dargestellt sind, nämlich vier erste Stützstrukturen 5, von denen der besseren Übersichtlichkeit wegen nur eine mit dem entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet ist, sowie eine zweite Stützstruktur 7. Es wird ein erstes Stärkemaß B1 für die wenigstens eine Stützstruktur, hier insbesondere für die zweite Stützstruktur 7, vorgegeben. Dabei wird zur Fertigung der ersten Stützstruktur 5 selbstverständlich ebenfalls auch für diese ein entsprechendes Stärkemaß vorgegeben, das aber im Folgenden deshalb nicht näher betrachtet wird, weil es letztlich auf das größte Stärkemaß ankommt, und hier die zweite Stützstruktur 7 breiter ist als die erste Stützstruktur 5, sodass relevant für das weitere Verfahren das global größte Stärkemaß der zweiten Stützstruktur 7 als erstes Stärkemaß B1 ist.
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Es wird zusätzlich zu den Stützstrukturen 5, 7 wenigstens eine Funktionsstruktur 9 an dem Bauteil 1 ausgebildet. Für die wenigstens eine Funktionsstruktur 9 wird ein zweites Stärkemaß B2 vorgegeben, das größer ist als das erste Stärkemaß B1.
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Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Stärkemaß insbesondere jeweils eine Breite der jeweiligen Struktur, das erste Stärkemaß B1 ist also insbesondere eine - in 1 in horizontaler Richtung gemessene - Breite der zweiten Stützstruktur 7, und das zweite Stärkemaß B2 ist eine - ebenfalls in 1 in horizontaler Richtung gemessene - Breite der wenigstens einen Funktionsstruktur 9.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum additiven Herstellen von Bauteilen, insbesondere des Bauteils 1 gemäß 1, in Form eines Flussdiagramms. Dabei wird in einem ersten Schritt S1 das erste Stärkemaß B1 für die wenigstens eine Stützstruktur, hier insbesondere das größte Stärkemaß für die zweite Stützstruktur 7, bestimmt, insbesondere vorgegeben. In einem zweiten Schritt S2, insbesondere in einem ersten Teilschritt S2.1 des zweiten Schritts S2, wird das zweite Stärkemaß B2 für die wenigstens eine Funktionsstruktur 9 bestimmt, insbesondere vorgegeben, wobei dieses größer gewählt wird als das erste Stärkemaß B1.
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In einem dritten Schritt S3 wird das Bauteil 1 additiv gefertigt, insbesondere schichtweise aus einem Pulvermaterial, vorzugsweise Metallpulver, aufgebaut, besonders bevorzugt durch Lasersintern. In einem vierten Schritt S4 wird das Bauteil 1 einer elektrochemischen Behandlung unterzogen, wobei die wenigstens eine Stützstruktur 5, 7 entfernt wird, und wobei die wenigstens eine Funktionsstruktur 9 - zumindest bereichsweise - erhalten bleibt. In einem fünften Schritt S5 wird schließlich die wenigstens eine Funktionsstruktur 9 nach der elektrochemischen Behandlung durch ein nicht-elektrochemisches Verfahren, bevorzugt manuell oder maschinell, insbesondere spanabhebend, vorzugsweise durch Brechen, Sägen oder in anderer geeigneter Weise, entfernt.
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Die Stützstrukturen 5, 7 sowie die Funktionsstruktur 9 werden beim additiven Fertigen des Bauteils 1 in dem dritten Schritt S3 zusammen mit dem Bauteil 1 additiv ausgebildet.
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Vorzugsweise wird in dem zweiten Schritt S2, insbesondere in einem zweiten Teilschritt S2.2 des zweiten Schritts S2, vor dem additiven Aufbauen des Bauteils 1 eine Soll-Geometrie für das aufzubringende Bauteil in Abhängigkeit von dem bestimmten ersten Stärkemaß B1 zu einer Vorgabe-Geometrie verändert, wobei eine in 3 schematisch dargestellte Vorrichtung 11 zum additiven Aufbauen des Bauteils 1 auf der Grundlage der Vorgabe-Geometrie angesteuert wird. Insbesondere wird dabei die Soll-Geometrie zu der Vorgabe-Geometrie aufgedickt, mithin verstärkt, um zu erreichen, dass eine spätere Ist-Geometrie des Bauteils 1 der Soll-Geometrie nach der elektrochemischen Behandlung zumindest angenähert ist, vorzugsweise der Soll-Geometrie - insbesondere im Rahmen vorbestimmter Toleranzen - entspricht.
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Die Soll-Geometrie wird vorzugsweise in dem ersten Schritt S1 definiert, wobei hier bevorzugt auch ein in 3 schematisch dargestellter Fertigungsauftrag 13, der auch als Baujob bezeichnet wird, für die Herstellung des Bauteils 1 erstellt wird. Dabei werden bevorzugt zugleich Nachbearbeitungsschritte für das Bauteil 1, die nach dessen additiver Fertigung durchzuführen sind, mit definiert und dem Fertigungsauftrag 13 hinzugefügt.
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Wie bereits ausgeführt, wird als das erste Stärkemaß B1 bevorzugt ein globales Maximum der Stärkemaße einer Mehrzahl von Stützstrukturen 5, 7 verwendet, hier mithin das der zweiten Stützstruktur 7 zugeordnete Stärkemaß. Alternativ wird bevorzugt als erstes Stärkemaß B1 ein globales Sollbruchstellen-Maximum der wenigstens einen Stützstruktur 5, 7 verwendet.
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Das zweite Stärkemaß B2 wird bevorzugt um einen Faktor von 1,02 bis 1,13, vorzugsweise von 1,05 bis 1,1 größer gewählt als das erste Stärkemaß B1.
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Das Trägerelement 3 wird vorzugsweise beim additiven Aufbauen des Bauteils 1 mit additiv aufgebaut, also gemeinsam mit dem Bauteil 1 während des additiven Fertigens ausgebildet, insbesondere mit diesem einstückig und vorzugsweise materialeinheitlich ausgebildet. In gleicher Weise werden bevorzugt auch die Stützstrukturen 5, 7 und die Funktionsstruktur 9 einstückig und vorzugsweise materialeinheitlich mit dem Bauteil 1 - und dem Trägerelement 3 - ausgebildet.
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Vorzugsweise wird eine Mehrzahl von Bauteilen 1 auf demselben Trägerelement 3 aufgebaut.
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3 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen von Bauteilen, insbesondere des Bauteils 1 gemäß 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
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Für das Bauteil 1 wird bevorzugt - insbesondere in dem ersten Schritt S1 - ein Datensatz 15 erstellt, wobei der Datensatz 15 bevorzugt wenigstens eine Information umfasst, die ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus dem ersten Stärkemaß B1, dem zweiten Stärkemaß B2, einer Anzahl von Bauteilen 1 auf dem Trägerelement 3, einem Bauteilvolumen des Bauteils 1, einer Bauteiloberfläche des Bauteils 1, einem Stützvolumen der Stützstrukturen 5, 7, einer Stützoberfläche der Stützstrukturen 5, 7, einem Material, insbesondere Pulvermaterial, aus welchem das Bauteil 1 ausgebildet wird, einem Volumenverhältnis des Bauteilvolumens dividiert durch die Summe aus dem Stützvolumen und einem Funktionsvolumen der wenigstens einen Funktionsstruktur 9, einem Oberflächenverhältnis der Bauteiloberfläche dividiert durch die Summe aus der Stützoberfläche und einer Funktionsoberfläche der wenigstens einen Funktionsstruktur 9, wenigstens einem Identifikationsdatum für das Bauteil, und einem Verweis zu einem Datenspeicherort. Dieser Datensatz 15 wird gemeinsam mit dem Fertigungsauftrag 13 für das Bauteil 1 und/oder gemeinsam mit dem Bauteil 1 zwischen wenigstens zwei Fertigungsstationen, hier einer ersten Fertigungsstation 17 und einer zweiten Fertigungsstation 19, weitergegeben. Das Bauteilvolumen umfasst dabei das Volumen des Bauteils 1 im engeren Sinne ohne das Stützvolumen und das Funktionsvolumen. Die Bauteiloberfläche umfasst in analoger Weise die Oberfläche des Bauteils 1 im engeren Sinne ohne die Stützoberfläche und die Funktionsoberfläche.
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Insbesondere wird das Bauteil 1 - zusammen mit dem Trägerelement 3, den Stützstrukturen 5, 7 und der Funktionsstruktur 9 - in der ersten Fertigungsstation 17 additiv aufgebaut, wobei die erste Fertigungsstation 17 hier entsprechend die Vorrichtung 11 zum additiven Aufbauen des Bauteils 1 aufweist. In der zweiten Fertigungsstation 19 wird die elektrochemische Behandlung des Bauteils 1 durchgeführt. Der Datensatz 13 wird dabei hier von der ersten Fertigungsstation 17 an die zweite Fertigungsstation 19 übergeben. Dabei kann er in verkörperter Form zusammen mit dem Bauteil 1 übergeben werden, indem er beispielsweise dem Bauteil 1 oder dem Trägerelement 3 anhaftet, insbesondere in Form eines RFID-Trägers, eines QR-Codes, eines Bar-Codes, oder in anderer geeigneter, vorzugsweise maschinenlesbarer Weise. Es ist aber auch möglich, dass der Datensatz 15 in nichtverkörperter Form zwischen den Fertigungsstationen 17, 19 übertragen wird, insbesondere kabelgebunden oder kabellos, beispielsweise über eine Funk- oder Infrarotverbindung, insbesondere Bluetooth oder WLAN, oder auch per E-Mail oder einen Kurznachrichtendienst, vorzugsweise über ein globales oder lokales Netzwerk.
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Die elektrochemische Behandlung wird bevorzugt automatisiert durchgeführt, insbesondere gesteuert von dem Datensatz 15. Insbesondere wird der Datensatz 15 bevorzugt zur Parametrierung der elektrochemischen Behandlung verwendet.
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Vorzugsweise wird das gesamte Herstellungsverfahren, insbesondere eine komplette Prozesskette zum Herstellen des Bauteils 1, automatisiert durchgeführt, insbesondere anhand von und/oder gesteuert durch den Fertigungsauftrag 13 und insbesondere den Datensatz 15.
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In 3 ist noch dargestellt, dass das Bauteil 1 für die elektrochemische Behandlung bevorzugt in ein Gefäß 21 getaucht wird, wobei das Trägerelement 3 als Deckelement 23, insbesondere als Deckel und/oder Verschluss, für das Gefäß 21 während der elektrochemischen Behandlung verwendet wird. In dem Gefäß 21 ist dabei bevorzugt ein saures Medium angeordnet.
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Für die elektrochemische Behandlung wird bevorzugt das Trägerelement 3 elektrisch kontaktiert. Das Bauteil 1 ist wiederum insbesondere über die wenigstens eine Funktionsstruktur 9 elektrisch mit dem Trägerelement 3 verbunden und dadurch elektrisch kontaktiert. Zugleich stützt die Funktionsstruktur 9 das Bauteil 1 mechanisch und hält dieses an dem Trägerelement 3, insbesondere in einer wohldefinierten Position.
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Bei der elektrochemischen Behandlung werden die Stützstrukturen 5, 7 bevorzugt vollständig entfernt. Die Position des Bauteils 1 relativ zu dem Trägerelement 3 bleibt dabei gleichwohl aufgrund der wenigstens einen Funktionsstruktur 9 erhalten, da diese nicht durch die elektrochemische Behandlung entfernt wird, sondern vielmehr zumindest bereichsweise bestehen bleibt. Somit wird zugleich vorteilhaft verhindert, dass das Bauteil 1 während der elektrochemischen Behandlung in das Gefäß 1 hineinfällt. Es kann vielmehr gemeinsam mit dem Trägerelement 3 nach der elektrochemischen Behandlung wieder aus dem Gefäß 21 entnommen beziehungsweise von dem Gefäß 21 entfernt werden.
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Zwischen dem dritten Schritt S3 und dem vierten Schritt S4 wird das Bauteil 1 bevorzugt entpulvert. Dies bedeutet insbesondere, dass an dem Bauteil 1 und dem Trägerelement 3 anhaftende Pulveranteile, insbesondere Pulverkörner, entfernt werden.
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Es ist möglich, dass zwischen dem vierten Schritt S4 und dem fünften Schritt S5 weitere Nachbearbeitungsschritte vorgenommen werden, vorzugsweise um eine Oberfläche des Bauteils 1 weiter zu behandeln, insbesondere zu glätten.
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Außerdem ist es auch möglich, dass nach dem fünften Schritt S5, also nach dem Entfernen der Funktionsstruktur 9, noch wenigstens ein weiterer Nachbearbeitungsschritt zur Nachbearbeitung des Bauteils 1 folgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- AT 519430 A1 [0019]
- WO 2018/102845 A1 [0019]
