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Die vorgeschlagene Lösung betrifft ein Verfahren zum Herstellen mehrerer Bauteile im Rahmen eines additiven Fertigungsprozesses mithilfe eines Partikel aufweisenden Pulvers.
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Beispielsweise ist bekannt mehrere Bauteile durch additives Laserschmelzen herzustellen. Hierbei werden die Bauteile schichtweise in einem Pulverbett aufgebaut. Das Pulver wird zur Ausformung mehreren Bauteile wenigstens lokal geschmolzen, um die mehreren Bauteile in wenigstens einer sich entlang einer Herstellungsebene erstreckenden Bauteillage herzustellen, in der ein erstes Bauteil einer Raumrichtung benachbart zu mindestens einem zweiten Bauteil vorliegt.
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Um die herzustellenden Bauteile in dem Pulverbett zu fixieren, insbesondere gegen mögliche Verzüge, sowie um überschüssige Wärme abzuleiten, werden Stützstrukturen mit ausgeformt, z.B. aus demselben Material wie das Bauteil selbst, also insbesondere aus Metall. Da die Stützstrukturen lediglich während des Fertigungsprozesses benötigt werden, werden diese nach der additiven Fertigung wieder entfernt, üblicherweise manuell. Hierdurch wird der Gesamtprozess vergleichsweise aufwendig und teuer.
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Der vorgeschlagenen Lösung liegt vor diesem Hintergrund die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren weiter zu verbessern Diese Aufgabe ist mit einem Herstellungsverfahren des Anspruchs 1 und einem Herstellungsverfahren des Anspruchs 7 gelöst.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorgeschlagenen Lösung wird zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil der Bauteillage ein Spalt mit einer Spaltbreite vorgesehen, die unter Nutzung einer Partikelgrößenverteilung der Partikel in dem Pulver vorgegeben ist.
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Grundgedanke der vorgeschlagenen Lösung ist in dieser Hinsicht eine Abstützung der benachbart zueinander liegenden ersten und zweiten Bauteile über in dem Spalt befindliche Partikel hinweg bereitzustellen. Aufgrund der sich an der Partikelgrößenverteilung orientierenden Bemessung der Spaltbreite lässt sich der Abstand zwischen den Bauteilen ohne das Vorsehen einer separaten Stützstruktur partikelbezogen einstellen, und zwar insbesondere derart, dass es bei einer, zum Beispiel verzugbedingten, Kraftübertragung zwischen den Bauteilen während des Fertigungsprozesses zu keiner Verschiebung der in dem Spalt befindlichen Partikel und damit einer Verschiebung der Bauteile relativ zueinander kommt. Die Funktion einer separat ausgebildeten Stützstruktur kann somit von den in dem Spalt befindlichen Partikeln des zur Ausformung genutzten Pulvers übernommen werden. Es muss somit keine Stützstruktur als eigenständige Geometrie im Fertigungsprozess vorhanden sein und es müssen keine Stützstruktur im Fertigungsprozess additiv mit hergestellt werden.
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In einer Ausführungsvariante ist die Spaltbreite auf Basis der Partikelgrößenverteilung vorgegeben und die Spaltbreite bestimmt den mittleren Abstand des ersten Bauteils zu dem (unmittelbar) in der Herstellungsebene benachbart liegenden zweiten Bauteil während der Ausformung der ersten und zweiten Bauteilen. In einem zur Herstellung genutzten Pulverbett liegen somit die ersten und zweiten Bauteile lediglich durch den Spalt getrennt voneinander vor, wenn der Fertigungsprozess abgeschlossen ist.
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Beispielsweise entspricht die eingestellte Spaltbreite einer mittleren Partikelgröße der Partikel in dem Pulver. So kann die mittlere Partikelgröße für die Spaltbreite beispielsweise einem Wert der Partikelgrößenverteilung entsprechen, der im Bereich zwischen dem d90-Wert und d100-Wert - insbesondere +10% - liegt. Insbesondere kann die mittlere Partikelgröße für die Spaltbreite dem d90-Wert oder d95-Wert der Partikelgrößenverteilung entsprechen. Unter einer Spaltbreite entsprechend einer mittleren Partikelgröße von d90 oder d95 der Partikelgrößenverteilung wird z.B. verstanden, dass die Spaltbreite demjenigen Durchmesser der Partikel in dem Pulver entspricht, den 90% (d90) respektive 95% (d95) der in dem Pulver vorhandenen Partikel nicht überschreiten. Mit anderen Worten haben 90% oder 95% der Partikel in dem Pulver einen Durchmesser der gleich dem oder kleiner ist als der d90-/d95-Wert.
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Innerhalb der Bauteillage kann das erste Bauteil in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen entlang der Herstellungsebene benachbart zu zweiten Bauteilen vorliegen, die jeweils um eine Spaltbreite zu dem ersten Bauteil beabstandet sind. Derart kann das erste Bauteil folglich zwischen mehreren (mindestens zwei) zweiten Bauteilen innerhalb des Pulvers eingefasst sein, wobei jeweils eine Abstützung über einen Spalt hinweg erfolgt, dessen Spaltbreite unter Nutzung der Partikelgrößenverteilung der Partikel in dem Pulver vorgegeben ist. So kann beispielsweise das erste Bauteil entlang zweier zueinander senkrechter Raumachsen zentral zwischen vier zweiten Bauteilen einer Bauteilelage angeordnet sein.
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Grundsätzlich können die ersten und zweiten Bauteile Teil einer ersten Bauteillage eines Bauteilblocks sein, wobei sich parallel zu der ersten Bauteillage mindestens eine zweite Bauteillage des Bauteilblocks für weitere aus dem Pulver auszuformenden Bauteile erstreckt. Der Bauteilblock umfasst somit wenigstens zwei Bauteillagen, in denen am Ende des Fertigungsprozesses jeweils mehrere Bauteile nebeneinander vorliegen. Innerhalb des Bauteilblocks sind somit am Ende des additiven Fertigungsprozesses mehrere Lagen jeweils mit Reihen von Bauteilen vorhanden.
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Grundsätzlich können die ersten und zweiten Bauteile wie auch die Bauteile unterschiedlicher Bauteillagen identisch ausgebildet sein, sodass über den additiven Fertigungsprozess ein Bauteilblock mit einer Vielzahl identischer Bauteile additiv aus dem Pulver hergestellt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorgeschlagenen Lösung, der alternativ oder ergänzend zu dem ersten Aspekt in einem vorgeschlagenen Verfahren Verwendung finden kann, wird, zur Arretierung wenigstens zweier Bauteile unterschiedlicher Bauteillagen aneinander während des Fertigungsprozesses, zwischen den Bauteilen einer ersten und einer zweiten Bauteillage eine Sinterbrückenschicht gebildet.
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Diese Sinterbrückenschicht stellt während des additiven Fertigungsprozesses eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Bauteilen unterschiedlicher Bauteillagen her. Diese stoffschlüssige Verbindung ist hierbei derart ausgestaltet, dass sie für eine Entfernung eines Bauteils aus einem wenigstens die ersten und zweiten Bauteillagen umfassenden Bauteilblock - unter manuell oder über einen Entnahmeroboter aufgebrachter Krafteinwirkung - gezielt versagt, sodass die Bauteile der unterschiedlichen Bauteillagen entlang der Sinterbrückenschicht voneinander zu trennen sind. Beispielsweise wird die Sinterbrückenschicht hierfür während des additiven Fertigungsprozesses dünn und spröde ausgebildet, sodass sie bei einer Krafteinwirkung oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts versagt. Die Sinterbrückenschicht ist also lediglich für die temporäre Fixierung während des additiven Fertigungsprozesses vorgesehen und hierfür dann vergleichsweise dünnem ausgebildet. Zur Ausbildung der Sinterbrückenschicht während des additiven Fertigungsprozesses wird das zur Herstellung genutzte Pulver über voreingestellte Prozessparameter entsprechend geschmolzen, als zum Beispiel entsprechend belichtet.
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Beispielsweise weist die Sinterbrückenschicht eine (Schicht-) Dicke auf, die lediglich einem Bruchteil einer Lagendicke einer Bauteillage entspricht, die durch die Höhe der Bauteile in dieser Bauteillage vorgegeben ist. Werden beispielsweise in einer Bauteillage Bauteile einer vorbestimmten Höhe schichtweise übereinanderliegend aufgebaut, entspricht die Lagendicke der maximalen Höhe ihrer Bauteile. Beispielsweise macht die Dicke der Sinterbrückenschicht, die Bauteile zweier Bauteillagen miteinander verbindet, maximal 1/10, maximal 1/20 oder maximal 1/40 der Lagendicke einer Bauteillage aus. In einer Ausführungsvariante kann sich die Sinterbrückenschicht aber auch im Verhältnis zur der mittleren Dicke der Schmelzbahnen aus geschmolzenem Pulver bemessen, aus denen die Bauteile schichtweise aufgebaut sind. Beispielsweise liegt die Dicke der Sinterbrückenschicht im Bereich von 1 bis 15 Schmelzbahndicken, insbesondere im Bereich von 5 bis 10 Schmelzbahndicken. Ist folglich ein Bauteil schichtweise aus Schmelzbahnen einer mittleren Schmelzbahndicke x aufgebaut, liegt die (Schicht-) Dicke der Sinterbrückenschicht z.B. im Bereich von x bis 15x, insbesondere im Bereich von 5x bis 10x.
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In einer Ausführungsvariante der vorgeschlagenen Lösung erfolgt die Ausformung der mehreren Bauteile durch additives Laserschmelzen. Die Ausformung der Bauteile erfolgt in dieser Variante folglich in einem Pulverbett durch ein wenigstens lokales Aufschmelzen des Pulverbetts mithilfe wenigstens eines Lasers.
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In einer beide vorstehend genannten Aspekte kombinierenden Ausführungsvariante werden über die anhand der Partikelgrößenverteilung vorgegebene Spaltbreite die ersten und zweiten Bauteile innerhalb ihrer Bauteillage (bezüglich der zugehörigen Herstellungsebene) arretiert, während über die Sinterbrückenschicht an wenigstens einem dieser ersten und zweiten Bauteile eine zusätzliche Arretierung zu wenigstens einem Bauteil einer weiteren Bauteillage und damit senkrecht zur Herstellungsebene der ersten und zweiten Bauteillage erfolgt. Während somit dann beispielsweise über die entsprechend partikelbezogen vorgegebene Spaltbreite eine Abstützung und damit Arretierung der herzustellenden Bauteile während des additiven Fertigungsprozesses in einer xy-Herstellungsebene gewährleistet wird, übernimmt die während des additiven Fertigungsprozesses hergestellte Sinterbrückenschicht jeweils eine Arretierung senkrecht hierzu, d. h. beispielsweise entlang einer z-Achse. Im Ergebnis kann somit die Fixierung eines (ersten) Bauteils in x-Richtung und y-Richtung durch die jeweils benachbarten (zweiten) Bauteile übernommen werden, wobei die Kraftübertragung über die einen Partikel dicker Pulverschicht innerhalb des trennenden Spalts erfolgt. Für die Fixierung der Bauteile über mehrere übereinanderliegende Bauteillagen hinweg ist eine lose Versinterung über die Sinterbrückenschicht bereitgestellt. Analog zur Kraftübertragung kann eine Wärmeableitung über die Pulverschicht in dem Spalt respektive der hiermit definierten Bauteillücke zwischen Bauteilen einer Bauteillage sowie über die Sinterbrückenschicht zwischen den Bauteillagen erfolgen.
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Die beigefügten Figuren veranschaulichen exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung.
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Hierbei zeigen:
- 1 ausschnittsweise und in Schnittansicht Bauteillagen eines Bauteilblocks mit mehreren nebeneinander und übereinander gemäß einer Ausführungsvariante des vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens additiv ausgeformten Bauteilen;
- 2 eine aus der 1 herausgelöste Detaildarstellung zu zwei übereinander vorliegenden Bauteilen, die über eine durch eine Sinterbrückenschicht bereitgestellte lose Versinterung miteinander arretierend verbunden sind;
- 2A einen vergrößerten Ausschnitt der Detaildarstellung der 2;
- 3 in vergrößertem Maßstab zwei in einer Bauteillage nebeneinanderliegende Bauteile, zwischen denen ein Spalt gebildet ist, der eine Spaltbreite von genau einem Partikel eines zur Herstellung genutzten Pulvers aufweist;
- 4A-4B in mit der 3 übereinstimmender Ansicht die zwei nebeneinanderliegenden und durch einen Spalt getrennten Bauteile, wobei hier der Spalt jeweils nicht entsprechend der vorgeschlagenen Lösung zu klein (4A) oder zu groß (4B) vorgegeben ist;
- 5 in perspektivischer Ansicht ein entsprechend einer Ausführungsvariante der vorgeschlagenen Lösung hergestellter Bauteilblock mit mehreren übereinanderliegenden Bauteillagen, die jeweils mehrere Reihen nebeneinanderliegender identisch ausgebildeter Bauteile umfassen.
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Die 5 zeigt in perspektivischer Ansicht einen quaderförmigen Bauteilblock BB der im Wege additiver Fertigung - hier durch additives Laserschmelzen - in einem Pulverbett entstanden ist. Der Bauteilblock BB umfasst mehrere, hier acht, Bauteillagen L1 bis L8, die auf einer Trägerplattform T entlang einer Raumrichtung z übereinanderliegen. Jede Bauteillage L1 bis L8 erstreckt sich entlang einer Herstellungsebene, die vorliegend entlang zu der z-Richtung jeweils senkrecht verlaufender Raumrichtungen x und y aufgespannt ist. In jeder Bauteillage L1 bis L8 sind mehrere identische Bauteile entlang der beiden Raumrichtungen x und y nebeneinander in Reihen liegend angeordnet.
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Exemplarisch ist in einer obersten Bauteillage L8 ein randseitiges (erstes) Bauteil 1a dargestellt, benachbart zu dem innerhalb derselben Bauteillage L8 zweite Bauteile 1b bis 1d liegen. In einer darunter liegenden Bauteillage L7 sind identisch ausgebildete Bauteile ausgeformt, von denen ein Bauteil 2a untermittelbar unterhalb dem ersten Bauteil 1a vorgesehen ist, auf dem das erste Bauteil 1a am Ende des additiven Fertigungsprozesses ruht. Das Bauteil 2a der darunter liegenden Bauteillage L7 liegt dabei ebenfalls ansprechend benachbart zu weiteren identischen Bauteilen, wie beispielsweise einem zweiten Bauteil 2g.
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Bei dem in der 5 dargestellten Bauteilblock BB sind die einzelnen Bauteile 1a bis 1d, 2a und 2g ohne Stützstrukturen in einem Pulver ausgeformt. Hierfür werden zum einen zwischen Bauteilen einer Bauteillage L1 bis L8 und damit zwischen in einer xy-Herstellungsebene entlang der Raumrichtungen x und y unmittelbar benachbart zueinander liegender Bauteile jeweils Bauteillücken in Form von Spalten g vorgesehen. Über einen Spalt g sind zwei benachbarte Bauteile um eine Spaltbreite s zueinander beabstandet ausgebildet, die unter Nutzung einer Partikelgrößenverteilung der in dem Pulver des Pulverbettes vorhandenen Partikel P1 bis P5 vorgegeben ist. Zum anderen werden aneinander angrenzende Bauteile unterschiedlicher Bauteillagen L1 bis L8 für den additiven Fertigungsprozess über eine mithilfe einer Sinterbrückenschicht 12 bereitgestellte lose Versinterung miteinander verbunden. Dabei gewährleistet die partikelbezogen gewählte Spaltbreite s zwischen den Bauteilen einer Bauteillage L1 bis L8 eine Abstützung und damit Arretierung der auszuformenden Bauteile in x-Richtung und y-Richtung, während über die Sinterbrückenschichten 12 zwischen den Bauteillagen L1 bis L8 eine Arretierung in z-Richtung während des aktiven Fertigungsprozesses gewährleistet ist.
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Anhand der 1 ist in vergrößertem Maßstab ein Spalt g zwischen zwei in einer Bauteillage L8 benachbart zueinander liegender Bauteilen 1a und 1b veranschaulicht. Das (erste) Bauteil 1a ist hierbei mit einem Bauteil 2a einer darunterliegenden Bauteillage L7 über eine Sinterbrückenschicht 12 verbunden dargestellt. Die Spaltbreite s des Spaltes g zwischen dem ersten Bauteil 1a und dem hieran angrenzenden Bauteil 1b derselben Bauteillage L8 ist in Abhängigkeit von einer Partikelgrößenverteilung der in dem Pulverbett vorhandenen Partikel P1 bis P5 vorgegeben. Hierbei entspricht die vorgegebene Spaltbreite s beispielsweise einer mittleren Partikelgröße d95 der Partikelgrößenverteilung, sodass die Spaltbreite s des Spaltes g zwischen den Bauteilen 1a und 1b einem mittleren Durchmesser d entspricht, den 95% der dem Pulverbett vorhandenen Partikel P1 bis P5 nicht überschreiten. Derart lässt sich erreichen, dass in dem Spalt g eine genau einen Partikel breite Pulverschicht vorhanden ist und damit eine Kraftübertragung zwischen den Bauteilen 1a, 1b über genau einen Partikel P1 innerhalb des Spaltes g erfolgt. Derart kann eine Kraft direkt über einzelne Partikel P1 bis P5 übertragen werden, ohne dass sich die (Pulver-) Partikel P1 bis P5 zueinander verschieben.
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Für die Arretierung entlang der z-Richtung ist an einer Basisschicht 10 eines Bauteils 1a, die als Basis des Bauteils 1a dem darunterliegenden Bauteil 2a der darunter liegenden Bauteillage zugewandt ist, die Sinterbrückenschicht 12 während des additiven Fertigungsprozesses ausgeformt. Die über diese Sinterbrückenschicht 12 bereitgestellte lose Versicherung wird hierbei durch entsprechend eingestellte Prozessparameter ausgebildet und bildet eine temporäre formschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen 1a, 2a, aufeinanderfolgender Bauteilelagen, hier der Bauteillagen L7 und L8. Die beim additiven Laserschmelzen durch entsprechende Belichtung ausgebildete Sinterbrückenschicht 12 entsprechend der 2 dient hierbei - wie wiederum in 1 dargestellt - nicht nur der Arretierung in z-Richtung während des additiven Fertigungsprozesses, sondern auch einer definierten Wärmeübertragung W2 zwischen den Bauteilen 1a, 2a bei einem Wärmeeintrag W in eines der Bauteile 1a, 2a. Über die Partikel P1 bis P5 in dem Spalt g ist ferner bei einem Wärmeeintrag W auch eine Wärmeübertragung W1 innerhalb derselben Bauteillage gewährleistet.
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Aus der vergrößerten Darstellung der 2A ist insbesondere ersichtlich, dass eine Dicke c der Sinterbrückenschicht 12 lediglich einem Bruchteil der Höhe in z-Richtung und damit nur einem Bruchteil einer Lagendicke einer Bauteillage L1 bis L8 entspricht. Vorliegend liegt die Dicke c der Sinterbrückenschicht 12 in einem Bereich der dem Zweibis Zehnfachen einer mittleren Dicke der Schmelzbahnen entspricht, mit denen die Bauteile der Bauteillagen L1 bis L8 schichtweise additiv aufgebaut werden. Die Dicke c der Sinterbrückenschicht 12 hängt hierbei vom Energieeintrag in die jeweilige unterste Schmelzbahn des oberhalb der entstehenden Sinterbrückenschicht 12 liegenden Bauteils ab (also z.B. in der 2A vom Energieeintrag in die unterste Schmelzbahn des Bauteils 1a). Erfolgt die Herstellung der Bauteile 1a und 2a beispielsweise aus einem Aluminiumpulver ist zwischen den beiden Bauteilen 1a und 2a im Bereich der zu bildenden Sinterbrückenschicht 12 eine Lücke von etwa 5 bis 10 Schmelzbahnen(dicken) vorhanden.
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Die vergrößerte Darstellung der 3 verdeutlicht nochmals die Übertragung einer F zwischen einander angrenzenden Bauteilen 1a und 1b einer Bauteillage über die einzelne Partikel P1 bis P5 in einer Bauteillücke, die durch den Spalt g vorgegeben ist. Über einen einzelnen Partikel P1 wird die Kraft F an einander zugewandten Seitenfläche 11a, 11b der beiden Bauteile 1a, 1b übertragen. Die Bauteile 1a und 1b können sich somit stützstrukturfrei über die einen Partikel breite Bauteillücke aneinander abstützen, und zwar ohne, dass die Bauteile 1a, 1b derselben Bauteillage miteinander verbunden sind.
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Wird die Spaltbreite s des Spaltes g demgegenüber, wie in 4A dargestellt, zu klein gewählt, entsteht das Risiko, dass die Bauteil 1a, 1b unmittelbar miteinander formschlüssig verbunden werden, wodurch es nicht nur zu unerwünschten Verspannungen, sondern auch zu Verformungen kommen kann. Bei zu großer Spaltbreite s kann wiederum, wie in der 4B dargestellt, eine eingeleitete Kraft F von einem Partikel der Pulverschicht als (Teil-)Kraft F1 oder F2 in angrenzende Partikel übertragen werden. Eine Verlagerung der Partikel und damit eine Verschiebung des angrenzenden Bauteils können hier dann die Folge sein. Eine Arretierung der Bauteile in der xy-Herstellungsebene ist hier folglich nicht gewährleistet.
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Über die gezielte Vorgabe der Spaltbreite s für zueinander benachbarte Bauteile 1a, 1b und die bei dem additiven Fertigungsprozess entstehende Bauteillücke unter Nutzung der Partikelgrößenverteilung bietet die Möglichkeit zur Arretierung der Bauteile innerhalb eines herzustellenden Bauteilblocks BB ohne Verwendung von Stützstrukturen. Dies verringert die Prozesskosten aufgrund einer Verminderung der Belichtungszeit. Auch verringert sich der Materialverbrauch, wenn keine separaten Stützstrukturen mit ausgeformt werden müssen. Da keine Stützstrukturen nachträglich entfernt werden müssen, reduzieren sich auch die Kosten für die Nachbearbeitung des additiv hergestellten Bauteils. Zudem wird die Ausnutzung des über die Trägerplattform T für die Fertigung zur Verfügungen gestellten (Herstellungs-)Raums verbessert.
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Exemplarisch mit einer Ausführungsvariante des vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens hergestellte Bauteile können beispielsweise Fahrzeugteile, insbesondere Teile für einen Fahrzeugsitz, wie beispielsweise ein Sitzhöhenanschlag, ein Sitzwinkel oder ein Nocken für einen Sitzverstellmechanismus sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1a - 1d, 2a,2g
- Bauteil
- 10
- Basisschicht
- 11a, 11b
- Seitenfläche
- 12
- Sinterbrückenschicht
- BB
- Bauteilblock
- c
- Schichtdicke
- d
- Durchmesser
- F, F1, F2
- Kraft
- g, g1, g2
- Spalt
- L1 - L8
- Bauteillage
- P1 - P5
- Partikel
- s
- Spaltbreite
- T
- Trägerplattform
- W
- Wärmeeintrag
- W1, W2
- Wärmeübergang
