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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines zumindest bereichsweise additiv gefertigten Hybrid-Bauteils aus einem Pulvergemisch, sowie ein Hybrid-Bauteil, hergestellt in einem solchen Verfahren.
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Ein Hybrid-Bauteil umfasst einen insbesondere konventionell hergestellten Grundkörper und einen additiven Bauteilbereich. Der additive Bauteilbereich ist über einen Anbindungsbereich mit dem Grundkörper verbunden.
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Bei der Herstellung eines Hybrid-Bauteils wird der Grundkörper bereitgestellt, wobei auf dem Grundkörper durch ein additives Herstellungsverfahren der Anbindungsbereich und der additive Bauteilbereich hergestellt wird.
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Werden für den Grundkörper und für das Pulvermaterial der additiven Herstellung unterschiedliche Werkstoffe verwendet, die üblicherweise mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten einhergehen, kann es bei der Herstellung des Anbindungsbereichs zu Eigenspannungen kommen, die einen vorgegebenen maximalen Sollwert überschreiten. Die Eigenspannungen können nachteilig zu einer nicht mehr in einer vorgegebenen Toleranz liegenden Bauteildeformation führen. Ebenfalls kann es zur Rissbildung in dem Anbindungsbereich und somit zu einer Funktionseinschränkung, bis hin zu einem Funktionsausfall des Bauteils, kommen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines zumindest bereichsweise additiv gefertigten Hybrid-Bauteils aus einem Pulvergemisch, sowie ein Hybrid-Bauteil, hergestellt in einem solchen Verfahren, zu schaffen, wobei die genannten Nachteile reduziert sind, vorzugsweise 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 bevorzugten Ausführungsformen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Herstellen eines zumindest bereichsweise additiv gefertigten Hybrid-Bauteils aus einem Pulvergemisch geschaffen wird. In dem Verfahren wird ein Grundkörper bereitgestellt, wobei auf dem Grundkörper, insbesondere auf einer Oberfläche des Grundkörpers, mindestens eine Pulvermaterialschicht des Pulvergemischs angeordnet wird. In einer Mehrzahl von ersten Pulverbereichen der mindestens einen Pulvermaterialschicht wird auf dem Grundkörper jeweils ein additiver erster Anbindungsbereich derart hergestellt und mit dem Grundkörper verbunden, dass in einer Mehrzahl von zweiten Pulverbereichen der mindestens einen Pulvermaterialschicht auf dem Grundkörper loses Pulvermaterial verbleibt. Über den ersten Anbindungsbereichen wird ein additiver Bauteilbereich hergestellt, der die Mehrzahl von ersten Anbindungsbereichen unter Bildung einer Mehrzahl von Überbrückungen miteinander verbindet und die Mehrzahl von zweiten Pulverbereichen übergreift, wodurch das Hybrid-Bauteil erhalten wird. Auf diese Weise können vorteilhaft bei der additiven Herstellung auftretende Eigenspannungen reduziert, vorzugsweise vermieden werden, da der additive Bauteilbereich in einem den herkömmlich vorgesehenen Anbindungsbereich ersetzenden Übergangsbereich nicht vollflächig, sondern lokal über die ersten Anbindungsbereiche mit dem Grundkörper verbunden ist. Durch die gezielt nicht umgeschmolzenen Pulverbereiche können vorteilhaft auftretende Eigenspannungen abgebaut werden. Auf vorteilhafte Weise können so die Rissneigung reduziert und die Funktionssicherheit des Bauteils erhöht werden.
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Die ersten Pulverbereiche sind insbesondere in der Pulvermaterialschicht - horizontal oder in der Ebene - verteilt und durch die zweiten Pulverbereiche voneinander beabstandet angeordnet.
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Der Übergangsbereich wird insbesondere schichtweise, insbesondere Schicht für Schicht hergestellt. Insbesondere wird in dem Verfahren somit zunächst eine erste Pulvermaterialschicht des Pulvergemischs angeordnet. In einer Mehrzahl von ersten Pulverbereichen der ersten Pulvermaterialschicht wird auf dem Grundkörper jeweils ein additiver erster Anbindungsbereich derart hergestellt und mit dem Grundkörper verbunden, dass in einer Mehrzahl von zweiten Pulverbereichen der ersten Pulvermaterialschicht auf dem Grundkörper eine erste Schicht von losem Pulvermaterial verbleibt. Anschließend wird auf der ersten Schicht eine zweite Pulvermaterialschicht des Pulvergemischs angeordnet, und die eben skizzierte Vorgehensweise beginnt von vorne und wird solange wiederholt, bis der Übergangsbereich fertiggestellt ist. Insbesondere werden dabei die ersten Anbindungsbereiche in den aufeinanderfolgenden Schichten passgenau übereinander hergestellt, sodass insgesamt in dem Übergangsbereich erste Anbindungsbereiche in Form von Säulen verfestigten Pulvermaterials entstehen, zwischen denen loses Pulvermaterial angeordnet ist.
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Der additive Bauteilbereich wird ebenfalls insbesondere schichtweise, insbesondere Schicht für Schicht hergestellt, wobei insbesondere eine unterste Schicht oder eine Mehrzahl unterster Schichten des additiven Bauteilbereichs die Mehrzahl von ersten Anbindungsbereichen unter Bildung einer Mehrzahl von Überbrückungen miteinander verbindet und die Mehrzahl von zweiten Pulverbereichen und damit das lose Pulvermaterial übergreift.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Überbrückungen kuppelförmig oder eben gebildet werden. Auf diese Weise werden vorteilhaft die Eigenspannungen und somit die Rissbildung weiter reduziert.
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Dass die Überbrückungen kuppelförmig gebildet werden, bedeutet im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere, dass die Überbrückungen als Kuppel gebildet werden.
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Dass die Überbrückungen eben gebildet werden, bedeutet im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere, dass die Überbrückungen als ebene Fläche, insbesondere als ebene Wandung oder Decke gebildet werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zeitlich vor der Herstellung des additiven Bauteilbereichs wenigstens ein zweiter Pulverbereich der Mehrzahl von zweiten Pulverbereichen, insbesondere mittels eines mit einem Energiestrahl, insbesondere mit einem Laserstrahl oder mit einem Elektronenstrahl, durchgeführten Tiefschweißverfahrens, umgeschmolzen und mit dem Grundkörper verbunden wird, wodurch ein bereichsweise mit zumindest einem der ersten Anbindungsbereiche überlappender zweiter Anbindungsbereich erhalten wird. Vorteilhafterweise kann so eine besonders stabile Verbindung zwischen dem additiven Bauteilbereich und dem Grundkörper hergestellt werden.
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Dass wenigstens ein zweiter Pulverbereich der Mehrzahl von zweiten Pulverbereichen umgeschmolzen und mit dem Grundkörper verbunden wird, bedeutet im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere, dass der zweite Pulverbereich und ein an diesen zweiten Pulverbereich angrenzender Bereich des Grundkörpers umgeschmolzen werden. Insbesondere wird der zweite Pulverbereich vollständig, insbesondere also alle in dem Übergangsbereich angeordneten Pulvermaterialschichten des zweiten Pulverbereichs, umgeschmolzen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Anbindungsbereiche als Raster erzeugt werden, wodurch eine Mehrzahl von Rasterfeldern gebildet wird, wobei die zweiten Pulverbereiche zwischen den Rasterfeldern angeordnet werden. Auf diese Weise kann vorteilhaft der Übergangsbereich mit einer Rasterstruktur hergestellt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Anbindungsbereiche als beabstandete Linien erzeugt werden, wobei die zweiten Pulverbereiche zwischen den als beabstandete Linien ausgebildeten ersten Anbindungsbereichen angeordnet werden. Auf diese Weise kann vorteilhaft der Übergangsbereich mit einer Linienstruktur hergestellt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur additiven Herstellung ein Verfahren verwendet wird, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: einem selektiven Laserschmelzverfahren, einem selektiven Elektronenstrahlschmelzverfahren, einem selektiven Lasersinterverfahren, und einem selektiven Elektronenstrahlsinterverfahren. Auf diese Weise können der Übergangsbereich und der additive Bauteilbereich mit den gängigsten generischen Herstellungsverfahren hergestellt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur additiven Herstellung als der Grundkörper ein Grundkörper verwendet wird, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: einem Gussteil, einem Schmiedeteil, einem Strangpressteil, einem additiv gefertigten Teil, einem Flachzeug, und einem Halbzeug. Vorteilhafterweise kann so ein Hybrid-Bauteil mit einem besonders zu dessen Herstellung geeigneten konventionellen Grundkörper hergestellt werden.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Hybrid-Bauteil geschaffen wird, hergestellt in einem erfindungsgemäßen Verfahren oder in einem Verfahren gemäß einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Das Hybrid-Bauteil umfasst einen Grundkörper, eine Mehrzahl von loses Pulvermaterial enthaltenden Pulverbereichen, eine Mehrzahl von - insbesondere in einem Übergangsbereich - in einer Ebene angeordneten ersten Anbindungsbereichen und einen additiven Bauteilbereich. Die Mehrzahl von in einer Ebene angeordneten ersten Anbindungsbereichen sind mit dem Grundkörper verbunden, wobei die Mehrzahl von Pulverbereichen in der Ebene zwischen den ersten Anbindungsbereichen angeordnet sind. Der additive Bauteilbereich ist über den ersten Anbindungsbereichen angeordnet und mit diesen verbunden, sodass er die Mehrzahl von Pulverbereichen unter Bildung einer Mehrzahl von Überbrückungen übergreift. In Zusammenhang mit dem Hybrid-Bauteil ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Anbindungsbereiche additiv hergestellt sind. Auf diese Weise können vorteilhaft die ersten Anbindungsbereiche besonders präzise hergestellt werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass mindestens ein zweiter Anbindungsbereich überlappend mit mindestens einem der ersten Anbindungsbereiche durch Umschmelzen, insbesondere mittels eines mit einem Laserstrahl durchgeführten Tiefschweißverfahrens, von Pulvermaterial hergestellt ist. Durch Verwendung eines leistungsstarken Lasers kann vorteilhaft der zweite Anbindungsbereich sicher und einfach mit dem Grundkörper verbunden werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Hybrid-Bauteil einen Werkstoff aufweist, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: einem Aluminiumwerkstoff, einer Aluminiumlegierung, einem Eisenwerkstoff, einer Eisenlegierung, einem Kupferwerkstoff, einer Kupferlegierung, einem Titanwerkstoff, einer Titanlegierung, einem Nickelwerkstoff, und einer Nickellegierung. Auf diese Weise kann vorteilhaft sowohl der Grundkörper als auch der Übergangsbereich und der additive Bauteilbereich aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt werden.
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In einer Ausführungsform weisen der Grundkörper und der additive Bauteilbereich einen selben Werkstoff, insbesondere eine selbe Legierung, auf oder sind aus diesem hergestellt.
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In einer anderen Ausführungsform weist der Grundkörper einen ersten Werkstoff, insbesondere eine erste Legierung auf oder ist aus diesem hergestellt und der additive Bauteilbereich weist einen zweiten Werkstoff, insbesondere eine zweite Legierung auf oder ist aus diesem hergestellt, wobei der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff, insbesondere die erste Legierung und die zweite Legierung, verschieden sind.
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In einer anderen Ausführungsform weist der additive Bauteilbereich verschiedene Werkstoffe, insbesondere verschiedene Legierungen auf. Insbesondere weisen eine erste Anzahl von Pulvermaterialschichten des additiven Bauteilbereichs einen ersten Werkstoff, insbesondere eine erste Legierung auf, wobei eine davon verschiedene zweite Anzahl von Pulvermaterialschichten des additiven Bauteilbereichs einen von dem ersten Werkstoff verschiedenen zweiten Werkstoff, insbesondere eine zweite Legierung, aufweist. Insbesondere weist eine davon verschiedene dritte Anzahl von Pulvermaterialschichten des additiven Bauteilbereichs einen dritten Werkstoff, insbesondere eine dritte Legierung, auf.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Übergangsbereich denselben Werkstoff wie der Grundkörper, denselben Werkstoff wie der additive Bauteilbereich, oder einen von diesen verschiedenen Werkstoff, oder - insbesondere in verschiedenen Pulvermaterialschichten - eine Mehrzahl verschiedener Werkstoffe aufweisen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1a eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Hybrid-Bauteils,
- 1b eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Hybrid-Bauteils als Weiterbildung des Hybrid-Bauteils gemäß 1a,
- 2a eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines Hybrid-Bauteils gemäß 1a,
- 2b eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines Hybrid-Bauteils gemäß 1b als Weiterbildung des Verfahrens gemäß 2a,
- 3a eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels als eine erste Weiterbildung des Verfahrens zum Herstellen eines Hybrid-Bauteils gemäß 2a oder 2b, und
- 3b eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels als eine zweite Weiterbildung des Verfahrens zum Herstellen eines Hybrid-Bauteils gemäß 2a oder 2b.
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1a zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Hybrid-Bauteils 1.
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Zur besseren Übersichtlichkeit ist in den Figuren ein Merkmal, welches in einer Mehrzahl vorkommt, nur einmal mit einem Bezugszeichen versehen. Das Bezugszeichen gilt selbstverständlich auch für die nicht mit dem jeweiligen Bezugszeichen versehenen gleichen Merkmale.
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Das Hybrid-Bauteil 1 umfasst einen Grundkörper 3, eine Mehrzahl von loses Pulvermaterial 2 enthaltenden Pulverbereichen 5, eine Mehrzahl von in einer durch eine strichlierte Linie dargestellte Ebene 7 angeordneten ersten Anbindungsbereichen 9 und einen additiven Bauteilbereich 11. Die Mehrzahl von in der Ebene 7 angeordneten ersten Anbindungsbereichen 9 sind mit dem Grundkörper 3 verbunden, wobei die Mehrzahl von Pulverbereichen 5 in der Ebene 7 zwischen den ersten Anbindungsbereichen 9 angeordnet sind. Der additive Bauteilbereich 11 ist über den ersten Anbindungsbereichen 9 angeordnet und mit diesen verbunden, sodass er die Mehrzahl von Pulverbereichen 5 unter Bildung einer Mehrzahl von Überbrückungen 13 übergreift.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Hybrid-Bauteil 1 einen Werkstoff aufweist, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: einem Aluminiumwerkstoff, einer Aluminiumlegierung, einem Eisenwerkstoff, einer Eisenlegierung, einem Kupferwerkstoff, einer Kupferlegierung, einem Titanwerkstoff, einer Titanlegierung, einem Nickelwerkstoff, und einer Nickellegierung.
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1b zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Hybrid-Bauteils 1 als Weiterbildung des Hybrid-Bauteils 1 aus 1a.
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Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insoweit jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
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Das Hybrid-Bauteil 1 aus 1a ist hier weitergebildet, indem zusätzlich bevorzugt vorgesehen ist, dass die ersten Anbindungsbereiche 9 additiv hergestellt sind. Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass mindestens ein zweiter Anbindungsbereich 15 überlappend mit mindestens einem der ersten Anbindungsbereiche 9 durch Umschmelzen, bevorzugt mittels eines mit einem in 2b schematisch dargestellten Laserstrahl 17 durchgeführten Tiefschweißverfahrens von Pulvermaterial 2 - vgl. 1a - hergestellt ist.
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2a (linker Blattbereich) zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines Hybrid-Bauteils 1 gemäß 1a.
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In einem ersten Schritt S1 wird ein Grundkörper 3 bereitgestellt.
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Bevorzugt ist in dem ersten Schritt S1 vorgesehen, dass als der Grundkörper 3 ein Grundkörper 3 verwendet wird, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: einem Gussteil, einem Schmiedeteil, einem Strangpressteil, einem additiv gefertigten Teil, einem Flachzeug, und einem Halbzeug.
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In einem zweiten Schritt S2 wird auf dem Grundkörper 3, insbesondere auf einer Oberfläche 3.1 des Grundkörpers 3, mindestens eine Pulvermaterialschicht 2.2 des Pulvergemischs 2.1 angeordnet. In einer Mehrzahl von ersten Pulverbereichen 19 der mindestens einen Pulvermaterialschicht 2.2 wird auf dem Grundkörper 3 jeweils ein additiver erster Anbindungsbereich 9 derart hergestellt und mit dem Grundkörper 3 verbunden, dass in einer Mehrzahl von zweiten Pulverbereichen 21 der mindestens einen Pulvermaterialschicht 2.2 auf dem Grundkörper 3 loses Pulvermaterial 2 verbleibt.
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Bevorzugt ist in dem zweiten Schritt S2 vorgesehen, dass die ersten Anbindungsbereiche 9 als Raster erzeugt werden, wodurch eine Mehrzahl von Rasterfeldern gebildet werden, wobei die zweiten Pulverbereiche 21 zwischen den Rasterfeldern angeordnet werden.
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Bevorzugt ist alternativ in dem zweiten Schritt S2 vorgesehen, dass die ersten Anbindungsbereiche 9 als beabstandete und hier beispielsweise in die Bildebene hineinreichende Linien 10 erzeugt werden, wobei die zweiten Pulverbereiche 21 zwischen den als beabstandete Linien 10 ausgebildeten ersten Anbindungsbereichen 9 angeordnet werden.
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In einem dritten Schritt S3 wird über den ersten Anbindungsbereichen 9 ein additiver Bauteilbereich 11 hergestellt, der die Mehrzahl von ersten Anbindungsbereichen 9 unter Bildung einer Mehrzahl von Überbrückungen 13 miteinander verbindet und die Mehrzahl von zweiten Pulverbereichen 21 übergreift. Der mit dem Bezugszeichen 23 versehene Ausschnitt ist in 3a und 3b erläutert.
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In einem vierten Schritt S4 wird dadurch das Hybrid-Bauteil 1 erhalten.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass zur additiven Herstellung ein Verfahren verwendet wird, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: einem selektiven Laserschmelzverfahren, einem selektiven Elektronenstrahlschmelzverfahren, einem selektiven Lasersinterverfahren, und einem selektiven Elektronenstrahlsinterverfahren.
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2b (rechter Blattbereich) zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines Hybrid-Bauteils 1 gemäß 1b als Weiterbildung des Verfahrens gemäß 2a.
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Dabei wird zwischen dem zweiten Schritt S2 und dem dritten Schritt S3 ein Zwischenschritt S2-3 durchgeführt.
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Bevorzugt ist in dem Zwischenschritt S2-3 vorgesehen, dass zeitlich vor der Herstellung des additiven Bauteilbereichs 11 wenigstens ein zweiter Pulverbereich 21.1 - vgl. den zweiten Schritt S2 - der Mehrzahl von zweiten Pulverbereichen 21, bevorzugt mittels eines mit einem Laserstrahl 17 durchgeführten Tiefschweißverfahrens umgeschmolzen und mit dem Grundkörper 3 verbunden wird, wodurch ein bereichsweise mit zumindest einem der ersten Anbindungsbereiche 9 überlappender zweiter Anbindungsbereich 15 erhalten wird.
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Bezüglich der Schritte S1, S2, S3 und S4 stimmen die Ausführungsbeispiele des Verfahrens gemäß den 2a und 2b bevorzugt überein.
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3a zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels als eine erste Weiterbildung des Verfahrens zum Herstellen eines Hybrid-Bauteils 1 gemäß 2a und 2b. Die Darstellung entspricht dem Ausschnitt 23 des dritten Schritts S3 von 2a.
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Bevorzugt ist in dem dritten Schritt S3 vorgesehen, dass die Überbrückungen 13 kuppelförmig, bevorzugt als eine Kuppel 13.1, gebildet werden.
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3b zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels als eine zweite Weiterbildung des Verfahrens zum Herstellen eines Hybrid-Bauteils 1 gemäß 2a und 2b. Die Darstellung entspricht dem Ausschnitt 23 des dritten Schritts S3 von 2a.
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Bevorzugt ist in dem dritten Schritt S3 vorgesehen, dass die Überbrückungen 13 eben, bevorzugt als eine ebene Wandung 13.2, gebildet werden.
