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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Dichte einer Schicht aus pulverförmigem Material. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Dichte einer Schicht aus pulverförmigem Material, ein Computerprogrammprodukt und ein Fahrzeugteil für ein Fahrzeug.
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Beim selektiven Lasersintern, das auch als Laser Powder Bed Fusion Verfahren bezeichnet werden kann, wird eine dünne Schicht aus einem pulverförmigen Werkstoff auf eine Grundplatte aufgebracht. Der pulverförmige Werkstoff wird mittels Energieeintrag, insbesondere mittels Laserstrahlung, lokal vollständig aufgeschmolzen und bildet nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Anschließend wird die Grundplatte um den Betrag eine Schichtdicke abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten aufgeschmolzen sind und das Bauteil fertig ist.
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Die Eigenschaften des fertigen Einbauteils sowie teilweise auch die Parameter des Fertigungsprozesses hängen von der Schichtdichte des pulverförmigen Werkstoffes ab. Die Messung der Schichtdichte ist nicht genormt und muss über ein aufwändiges Verfahren durch Abstreifen des Pulvers über einer Kavität mit genau festgelegten Rauhigkeitswerten und mehrmaligem Wiegen erfolgen. Eine derartige Messeinrichtung ist nicht kommerziell erhältlich.
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DE 10 2006 022 894 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Ermittlung bestimmter Eigenschaften eines schüttfähigen Guts, welches sich in Form eines Kegel auf einem im Wesentlichen ebenen Teller befindet, die wenigstens einen an einer Halteeinrichtung angebrachten optischen Lichtleiter aufweist, welche wenigstens eine Beleuchtungsfaser und wenigstens eine Detektionsfaser aufweist. Die Beleuchtungsfaser sendet optische Strahlung zu dem Kegel. Die Detektionsfaser ist so angeordnet, dass sie die von dem Kegel reflektierte optische Strahlung empfängt, um chemische und morphologische Parameter des schüttfähigen Guts, wie dessen Feuchtegehalt, bestimmte Konzentrationen, Partikelgröße oder die Identität des schüttfähigen Guts, zu ermitteln. Des Weiteren weist die Vorrichtung Sensoren zur Ermittlung physikalischer Parameter des schüttfähigen Guts, wie Fließzeit, Fließvolumen, Masse oder Dichte, zu ermitteln.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Schichtdichte von pulverförmigen Material, ein Computerprogrammprodukt und ein Fahrzeugteil zu schaffen, die eine einfache und kostengünstige Messung der Schichtdichte im Fertigungsprozess ermöglichen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9, ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und ein Fahrzeugteil mit den Merkmalen des Anspruchs 11 vorgeschlagen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein Verfahren zur Bestimmung einer Schichtdichte von pulverförmigen Material, das durch Energieeintrag in Form von Wellenlängen aufschmelzbar ist, weist folgende Schritte auf. Zuerst wird eine Schicht aus pulverförmigem Material erzeugt. Anschließend wird Strahlungsenergie in die Schicht eingetragen, die der Wellenlänge des Lasers zum Aufschmelzen des pulverförmigen Materials entspricht. Danach werden eine Reflektivität und/oder eine Transmission der Schicht detektiert und ein Absorptionswert wird auf Basis der detektierten Reflektivität und/oder der detektierten Transmission ermittelt. Schließlich wird die Schichtdicke auf Basis des ermittelten Absorptionswertes ermittelt.
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Das Verfahren ermöglicht die Integration der Bestimmung der Schichtdichte im selektiven Lasersinterprozess beziehungsweise im Laser Powder Bed Fusion Verfahren, da die Strahlungsquelle mittels der das pulverförmige Material aufgeschmolzen wird, gleichzeitig zur Ermittlung der Schichtdichte genutzt werden kann. Dadurch liefert das Verfahren Aufschluss über die Schichtdichte im Herstellprozess, insbesondere im selektiven Lasersinterprozess beziehungsweise im Laser Powder Bed Fusion Verfahren. Demgemäß liefert das Verfahren eine einfache und kostengünstige Möglichkeit die Schichtdichte zu bestimmen und das Ausgangsmaterial des pulverförmigen Materials zu ermitteln.
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Das Verfahren kann auch außerhalb des Lasersinterprozesses in Form eines tragbaren Analysegerätes zur Wareneingangskontrolle zum Einsatz kommen.
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Die Strahlungsenergie umfasst Strahlen mit einer Wellenlänge, die der Wellenlänge zum Aufschmelzen des pulverförmigen Materials entspricht.
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Unter Detektion wird vorliegend die Messung der Reflektivität oder Transmission verstanden. Hierzu können Mittel eingesetzt werden, die die von der Schicht aus pulverförmigem Material reflektierte Strahlung und die durch die pulverförmige Schicht hindurchtretende Strahlung misst.
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Das pulverförmige Material kann auch als Additive Manufacturing Werkstoff bezeichnet werden. Das pulverförmige Material kann ein Metallpulver, insbesondere ein Aluminiumpulver sein.
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Der Energieeintrag zum Aufschmelzen des pulverförmigen Materials kann in Form von Strahlungsenergie erfolgen. Die Strahlungsenergie kann durch eine Strahlungswelle, wie eine Lichtquelle, beispielsweise in Form eines Lasers, erzeugt werden. Ein Laser kann Strahlungsenergie in Form von Laserpulsen erzeugen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Schicht aus pulverförmigem Material auf einem Substrat oder einer Arbeitsoberfläche erzeugt werden. Das Substrat oder die Arbeitsoberfläche können eine Grundplatte einer selektiven Laserschmelzvorrichtung sein. Ferner kann die pulverförmige Schicht in einem Gefäß, das durchlässig für die Strahlung ist, erzeugt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Absorptionswert anhand der Formel A = 1-(R+T) ermittelt, wobei A für den Absorptionswert, R für die Reflektivität beziehungsweise den Reflexionsgrad und T für den Transmissionsgrad steht. Der Reflexionsgrad R ist das Verhältnis zwischen reflektierter und einfallender Intensität als Energiegröße, beispielsweise bei elektromagnetischen Wellen (Lichtstrom) oder bei Schallwellen (Schalldruck, Schallfeldgröße). Es handelt sich um eine gestörte Ausbreitung der Welle. Die Transmission ist eine Größe für die Durchlässigkeit eines Mediums für Wellen beispielsweise für Schallwellen oder elektromagnetische Wellen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung korreliert der ermittelte Absorptionswert mit einem Korrelationswert von größer als 0,9 mit der Schichtdichte. Anhand dieses Korrelationswertes kann die Schichtdichte einfach rechnerisch auf Basis des ermittelten Absorptionswertes berechnet werden. Eine höhere Schichtdichte geht mit einem höheren Korrelationswert einher.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Schicht mit elektromagnetischen Wellen bestrahlt. Mittels der elektromagnetischen Wellen kann die Reflektivität und die Transmission der Schicht aus pulverförmigen Material detektiert, insbesondere gemessen werden. Elektromagnetische Wellen können Radiowellen, Mikrowellen, Wärmestrahlung, Licht, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die elektromagnetischen Wellen eine Wellenlänge von 515 nm, 1030 nm oder 1064 nm auf. Die durch derartige elektromagnetische Wellen erzeugte Energie entspricht derjenigen, welche nötig ist, um das pulverförmige Material aufzuschmelzen. Elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von 515 nm sind sichtbar, wohingegen elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von 1030 nm oder 1064 nicht sichtbar sind. So emittiert der zumeist beim selektiven Lasersintern verwendete Laser Laserpulse mit einer Wellenlänge von 1064 nm. Darüber hinaus können die elektromagnetischen Wellen auch andere Wellenlängen umfassen, die den Wellenlängen entsprechen, welche notwendig sind, um das pulverförmige Material aufzuschmelzen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Wellenlänge von einem Laser erzeugt. Dadurch kann das Verfahren im selektiven Laserprozess integriert werden, da der Laser sowohl zum Aufschmelzen des pulverförmigen Materials als auch zur Bestimmung der Schichtdichte eingesetzt werden kann. Vorteilhaft ist der Laser ein Neodym-Yag-Laser oder ein Yterbium-Yag-Laser. Ein Neodym-Yag-laser emittiert Laserpulse mit einer Wellenlänge von 1064 nm. Ein Yterbium-Yag-Laser emittiert Laserpulse mit einer Wellenlänge von 1030 nm. Vorteilhaft ist die Wellenlängen mehrerer Laser zu nutzen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Reflektivität mit einem ersten Sensor, der auf einer der Strahlung zugewandten Seite der Schicht angeordnet ist, detektiert. Da zur Bestimmung der Schichtdichte, insbesondere der Schichtdichtenkorrelation nur eine bestimmte Wellenlänge von Interesse ist, nämlich 515 nm, 1030 nm oder 1064 nm, kann der erste Sensor zur Detektion der Reflektivität exakt auf eine dieser Wellenlängen oder auf alle diese Wellenlängen abgestimmt und optimiert werden. Der erste Sensor kann ein optischer Sensor sein. So kann der erste Sensor eine Photodiode sein. Unter einer der Strahlung zugewandten Seite wird vorliegend diejenige Seite der Schicht verstanden, welche der Strahlungsquelle, also dem Laser zugewandt ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Transmission mit einem zweiten Sensor, der auf einer der Strahlung abgewandten Seite der Schicht angeordnet ist, detektiert. Da zur Bestimmung der Schichtdichte, insbesondere der Schichtdichtenkorrelation nur eine bestimmte Wellenlänge von Interesse ist, nämlich 515 nm, 1030 nm oder 1064 nm, kann der zweite Sensor zur Detektion der Transmission exakt auf eine dieser Wellenlängen oder auf alle diese Wellenlängen abgestimmt und optimiert werden. Der zweite Sensor kann ein optischer Sensor sein. So kann der zweite Sensor eine Photodiode sein. Unter einer der Strahlung abgewandten Seite wird vorliegend diejenige Seite der Schicht verstanden, welche der Strahlungsquelle, also dem Laser abgewandt ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Schicht aus pulverförmigem Material zwischen zwei transparenten Platten erzeugt. Durch die Bildung der Schicht zwischen zwei transparenten Platten kann eine Schicht mit einer definierten Dicke erzeugt werden. Vorteilhaft sind die transparenten Platten durchlässig für die Strahlen der Strahlungsquelle. Der Abstand der transparenten Platten kann 0,1 mm betragen. Vorteilhaft sin die beiden transparenten Platten Glasplatten. Die beiden Glasplatten können Bestandteile eines Gefäßes aus Glas, wie beispielsweise ein Glaszylinder sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Dichte einer Schicht aus pulverförmigem Material, das durch Energieeintrag aufschmelzbar ist, die ausgebildet ist ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, vorgeschlagen. Die Vorrichtung weist wenigstens eine Strahlungsquelle, die eine Strahlung in Richtung der Schicht emittiert, deren Wellen der zum Aufschmelzen des pulverförmigen Materials notwendigen Wellenlänge entspricht, eine Detektionseinheit, die eine von dem pulverförmigen Material reflektierte Strahlung und eine durch das pulverförmige Material hindurchgetretene Strahlung detektiert, und wenigstens eine Auswertevorrichtung, die ausgebildet ist, einen Absorptionswert auf Basis der detektierten Strahlungen zu ermitteln und basierend auf dem ermittelten Absorptionswert eine Dichte der Schicht zu ermitteln, auf.
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Die Auswertevorrichtung kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung, wie beispielsweise ein Computer sein. Die Strahlungsquelle und/oder die Detektionseinheit kann über eine Datenübertragungsleitung mit der Auswertevorrichtung verbunden sein. Die Datenübertragungsleitung kann ein Datenkabel oder eine WLAN-Verbindung sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen. Das Computerprogrammprodukt umfasst Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine Auswertevorrichtung diese veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
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Die Auswertevorrichtung kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung, wie beispielsweise ein Computer sein, auf der das Computerprogrammprodukt gespeichert ist, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch die Auswertevorrichtung diese veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren auszufhren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeugteil für ein Fahrzeug vorgeschlagen, das durch ein erfindungsgemäßes Verfahren, einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder einem Computerprogrammprodukt erfindungsgemäßen hergestellt ist.
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Nachfolgend werden ein Fahrzeugteil, ein Verfahren zur Bestimmung einer Dichte einer Schicht aus pulverförmigen Material sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Dichte einer Schicht aus pulverförmigem Material anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den Figuren schematisch dargestellt ist. Hierbei zeigen:
- 1 ein Fahrzeug mit einem Fahrzeugteil;
- 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Dichte einer Schicht aus pulverförmigem Material; und
- 3 ein Blockdiagramm zur Illustration eines Verfahrens zur Bestimmung einer Dichte einer Schicht aus pulverförmigem Material.
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In 1 ist ein Fahrzeug 10 mit einem Fahrzeugteil 12 gezeigt. Das Fahrzeug 10 kann ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor oder einer als Elektromotor ausgebildeten Antriebsmaschine sein.
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Das Fahrzeugteil 12 ist durch selektives Lasersintern, das auch als Laser Powder Bed Fusion Verfahren bezeichnet werden kann, hergestellt. Dabei wird eine dünne Schicht 14 aus einem pulverförmigen Material 16 auf einer nicht dargestellten Grundplatte erzeugt. Das pulverförmige Material 16 wird mittels Energieeintrag durch eine Strahlungsquelle 18 lokal vollständig aufgeschmolzen und bildet nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Anschließend wird die Grundplatte um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten aufgeschmolzen sind und das Fahrzeugteil 12 fertig ist.
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Das pulverförmige Material 16 wird auch als Additive Manufacturing Werkstoff bezeichnet und ist ein Metallpulver, insbesondere ein Aluminiumpulver.
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Für den Fertigungsprozess ist die Bestimmung der Dichte der dünnen Schicht 14 von besonderer Wichtigkeit. Die Bestimmung der Schichtdichte der dünnen Schicht 14 erfolgt mit der in 2 dargestellten Vorrichtung 20, die Bestandteil einer nicht dargestellten selektiven Lasersinteranlage beziehungsweise einer Laser Powder Bed Fusion Anlage sein kann.
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Die Vorrichtung 20 weist als Strahlungsquelle 18 einen Laser 22, der einen Laserstrahl 24 beziehungsweise einen Laserpuls in Richtung der dünnen Schicht 14 emittiert, eine Detektionseinheit 26, die eine von dem pulverförmigen Material 16 reflektierte Strahlung 28 und eine durch das pulverförmige Material hindurchgetretene Strahlung 30 detektiert und eine Auswertevorrichtung 32.
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Der Laser 22 ist ein Neodym-Yag-Laser, der emittierte Laserpulse mit einer Wellenlänge von 1064 nm emittiert, oder ein Yterbium-Yag-Laser, der Laserpulse mit einer Wellenlänge von 1030 nm emittiert. Der Laser 22 ist über eine Datenübertragungsleitung 34 mit der Auswertevorrichtung 32 verbunden. Die Datenübertragungsleitung 34 kann ein Datenkabel oder eine WLAN-Verbindung sein.
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Die Detektionseinheit 26 weist einen ersten Sensor 36, der die von der dünnen Schicht 14 reflektierte Strahlung 28 detektiert beziehungsweise misst, und einen zweiten Sensor 38, der die durch die dünne Schicht 14 hindurchgetretene Strahlung 30 detektiert beziehungsweise misst, auf.
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Wie in 2 ersichtlich ist, ist der erste Sensor 36 auf der der Strahlungsquelle 18 zugewandten Seite der dünnen Schicht 14 angeordnet und der zweite Sensor 38 ist auf einer der Strahlungsquelle 18 abgewandten Seite der dünnen Schicht 14 angeordnet.
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Der erste Sensor 36 und der zweite Sensor 38 sind jeweils als eine Photodiode ausgebildet, die auf die Wellenlänge des von dem Laser 22 emittierten Laserstrahls 24 abgestimmt ist.
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Zur Detektion beziehungsweise Messung der Strahlungen 28, 30 sind beide Sensoren 36, 38 über Datenübertragungsleitungen 34 mit der Auswertevorrichtung 32 verbunden.
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Die Auswertevorrichtung 32 ist eine Datenverarbeitungsvorrichtung, beispielsweise ein Computer, auf der ein Computerprogrammprodukt gespeichert ist, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch die Auswertevorrichtung 32 diese veranlassen, das in 3 dargestellte Verfahren auszuführen.
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Wie zudem in 2 ersichtlich ist, wird die dünne Schicht 14 zwischen zwei Glasplatten 40 erzeugt, die durchlässig für die Strahlen 24, 28, 30 sind und die 0,1 mm voneinander beabstandet sind. Die beiden Glasplatten 40 können Bestandteile eines Gefäßes aus Glas, wie beispielsweise ein Glaszylinder sein.
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Im Folgenden wird ein Verfahren zur Bestimmung der Schichtdichte der dünnen Schicht 14 mittels der Vorrichtung 20 anhand des in 3 dargestellten Blockdiagramms erläutert.
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Im Schritt S1 wird eine dünne Schicht 14 aus pulverförmigem Material 16 zwischen den beiden Glasplatten 40 erzeugt.
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Im Schritt S2 wird die die dünne Schicht 14 mit dem Laserstrahl 24 beaufschlagt.
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Im Schritt S3 detektiert der erste Sensor 36 die von der dünnen Schicht 14 reflektierte Strahlung 28 und der zweite Sensor 38 detektiert die durch die dünne Schicht 14 hindurchgehende Strahlung 30. Die gemessene Reflektivität und Transmission wird an die Auswertevorrichtung 32 übermittelt.
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Im Schritt S4 ermittelt die Auswertevorrichtung 32 einen Absorptionswert anhand der Formel A = 1-(R+T), wobei A für den Absorptionswert, R für die Reflektivität beziehungsweise Reflexionsgrad und T für den Transmissionsgrad steht.
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Im Schritt S5 ermittelt die Auswertevorrichtung 32 die Schichtdicke der dünnen Schicht 14 auf Basis des ermittelten Absorptionswertes, indem der ermittelte Absorptionswert mit einem Korrelationswert von größer als 0,9 mit der Schichtdichte korrel iert.
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Das Verfahren ermöglicht die Integration der Bestimmung der Schichtdichte im selektiven Lasersinterprozess beziehungsweise im Laser Powder Bed Fusion Verfahren, da die Strahlungsquelle 18 mittels der das pulverförmige Material 16 aufgeschmolzen wird, gleichzeitig zur Ermittlung der Schichtdichte genutzt werden kann. Dadurch liefert das Verfahren eine einfache und kostengünstige Möglichkeit die Schichtdichte zu bestimmen und das Ausgangsmaterial des pulverförmigen Materials zu ermitteln.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fahrzeug
- 12
- Fahrzeugteil
- 14
- dünne Schicht
- 16
- pulverförmiges Material
- 18
- Strahlungsquelle
- 20
- Vorrichtung
- 22
- Laser
- 24
- Laserstrahl
- 26
- Detektionseinheit
- 28
- reflektierte Strahlung
- 30
- hindurchgetretene Strahlung
- 32
- Auswertevorrichtung
- 34
- Datenübertragungsleitung
- 36
- erster Sensor
- 38
- zweiter Sensor
- 40
- Glasplatte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006022894 A1 [0004]
