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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasüberwachungssystem zur Überwachung einer Gaskonzentration in einer additiven Fertigungsvorrichtung. Weiterführend betrifft sie auch eine Gasüberwachungsanordnung sowie eine additive Fertigungsvorrichtung.
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Additive Fertigungsvorrichtungen werden beispielsweise beim Rapid Prototyping, Rapid Tooling oder Additive Manufacturing verwendet. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens ist unter dem Namen „Selektives Lasersintern” oder „Selektives Laserschmelzen” bekannt. Dabei wird wiederholt mittels eines Beschichters eine dünne Schicht eines pulverförmigen Aufbaumaterials aufgebracht und das Aufbaumaterial jeder Schicht durch selektives Bestrahlen mit einem Laserstrahl selektiv verfestigt, d. h. das Aufbaumaterial wird an diesen Stellen an- oder aufgeschmolzen und/oder verschmolzen und erstarrt unter Bildung eines Materialverbundes.
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In den Anfangszeiten des Lasersinterns und der mit ihm verwandten Technologien wurde reine Luft als Umgebungsgas für den jeweiligen Herstellungsprozess verwendet. Aufgrund nachteiliger Effekte, insbesondere der Tatsache, dass der Luftsauerstoff ein Reaktionsgas für viele Aufbaumaterialien war, kam die Industrie davon komplett ab und setzt seitdem im Gegenteil durchgängig auf im Wesentlichen sauerstofffreie Prozesse, insbesondere unter Stickstoff- bzw. Argonatmosphäre.
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Die deutsche Patentanmeldung
DE 10 2015 222 776.6 (deren Inhalt hier vollumfänglich auch als Offenbarung der vorliegenden Erfindung aufgefasst wird) schlägt ein additives Fertigungsverfahren vor, bei dem unter einem definierten Sauerstoffgehalt, der geringer ist als der Sauerstoffgehalt von Luft, gearbeitet wird.
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Gemein haben alle Verfahren, in denen nicht unter reiner Luft als Umgebungsgas gearbeitet wird, dass der Sauerstoffgehalt während der Durchführung des additiven Fertigungsverfahrens in der jeweiligen Prozessumgebung kontrolliert, d. h. überwacht werden muss. Hierzu werden Gasüberwachungssysteme in der Prozessumgebung eingesetzt. Beispielsweise besteht das Gasüberwachungssystem in der von der EOS GmbH vertriebenen additiven Fertigungsvorrichtung EOS M290 derzeit aus insgesamt vier Sensoren, wobei zwei erste baugleiche Sensoren dazu dienen, schwellenwertbasiert einen Betrieb der additiven Fertigungsvorrichtung freizugeben oder zu unterbinden. Zwei zweite baugleiche Sensoren mit einem anderen Messbereich bzw. einer anderen Messgenauigkeit als die ersten beiden Sensoren dienen dazu, Messergebnisse in Form eines kontinuierlichen Signals aufzuzeichnen und beispielsweise zur späteren Prozessauswertung zur Verfügung zu stellen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes bzw. alternatives Gasüberwachungsverfahren und ein verbessertes bzw. alternatives Gasüberwachungssystem zur Anwendung in einer additiven Fertigungsvorrichtung bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Gasüberwachungssystem gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Gasüberwachungsanordnung gemäß Anspruch 9 und eine additive Fertigungsvorrichtung gemäß Anspruch 15. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Gasüberwachungssystem zur Überwachung einer Gaskonzentration in einer additiven Fertigungsvorrichtung mindestens einen ersten Gassensor, ausgebildet zur Gaskonzentrationsmessung in einer Prozessumgebung, bevorzugt einer Prozesskammer, der additiven Fertigungsvorrichtung, einen zweiten Gassensor, ausgebildet zur Gaskonzentrationsmessung in einer Prozessumgebung, bevorzugt einer Prozesskammer, der additiven Fertigungsvorrichtung, einen ersten Schwellenwertschalter, der signaltechnisch mit dem ersten Gassensor verbunden ist, einen zweiten Schwellenwertschalter, der signaltechnisch mit dem zweiten Gassensor verbunden ist, eine erste, dem ersten Schwellenwertschalter signaltechnisch zugeordnete Ausgangsschnittstelle hin zu einer automatischen Betriebsüberwachungseinheit, eine zweite, dem zweiten Schwellenwertschalter signaltechnisch zugeordnete Ausgangsschnittstelle hin zu der automatischen Betriebsüberwachungseinheit sowie eine dritte Ausgangsschnittstelle, die dem ersten und/oder dem zweiten Gassensor signaltechnisch zugeordnet ist, hin zu der automatischen Betriebsüberwachungseinheit.
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Als „signaltechnisch zugeordnet” wird dabei ein Zustand aufgefasst, bei dem die beiden einander zugeordneten Einheiten bzw. Elemente miteinander so verbunden sind, dass ein Signal aus der erstgenannten Einheit hin zu der jeweils zweitgenannten Einheit gelangen kann oder anders herum. Insbesondere ist dies dann der Fall, wenn die beiden Einheiten miteinander geschaltet sind, z. B. mittels einer (insbesondere galvanischen) elektrischen Signalverbindung miteinander verbunden sind. Auch Schaltungen per Funk, optischer Übertragung (etwa mittels Glasfasern o. ä.) werden hierunter subsummiert. Weitere Ausgestaltungen von signaltechnischen Zuordnungen sind dem Fachmann hinreichend geläufig.
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Die Erfindung wendet sich damit davon ab, zur schwellenwertbasierten An- und Abschaltung (Notaus) einer additiven Fertigungsvorrichtung und zur kontinuierlich Messüberwachung zwei unterschiedliche Sensorsysteme zu verwenden. Vielmehr kann beispielsweise mithilfe des erfindungsgemäßen Gasüberwachungssystems mit ein und denselben Messsignalen (aus den beiden Gassensoren) sowohl die schwellenwertbasierte Schaltung (durch den ersten und den zweiten Schwellenwertschalter) als auch die Bereitstellung einer kontinuierlichen Messsignals bereitgestellt werden. Sie kombiniert somit zum Beispiel das Potenzial eines redundanten Systems (da ja mindestens zwei Gassensoren vorgesehen sind und beide Schwellenwertschalter zum Betrieb der additiven Fertigungsvorrichtung „geschlossen” sein müssen) und zugleich einer kontinuierlichen Dokumentation/Überwachung. Die Sicherheitsfunktion wird bevorzugt sichergestellt durch einen (insbesondere kontinuierlichen) Kreuzvergleich der Signale aus dem ersten Gassensor mit den Signalen aus dem zweiten Gassensor. Damit können unter anderem Bauteile eingespart werden und die oben erwähnte Sicherheitsfunktion der Gasüberwachung dennoch vollständig aufrechterhalten bleiben. Im Endeffekt werden somit unter anderem Kosten und Aufwand gespart.
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Die genannten erste, zweite und dritte Ausgangsschnittstellen müssen nicht notwendigerweise separiert voneinander vorliegen; sie können vielmehr auch in einer Kombinations-Ausgangsschnittstelle realisiert sein, in der mindestens zwei der Ausgangsschnittstellen gemeinsam vorliegen. Wichtig ist dabei jedoch, dass Signale separat voneinander auch über eine Kombinations-Ausgangsschnittstelle übergeben werden können, die dann zum Beispiel eine entsprechende Anzahl an separaten Ausgangskanälen umfasst. Ausgangsschnittstellen können auch softwaremäßig realisiert sein bzw. als kombinierte Soft-/Hardware-Ausgangsschnittstellen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Überwachung einer Gaskonzentration in einer additiven Fertigungsvorrichtung, das sich dadurch auszeichnet, dass hierzu ein erfindungsgemäßes Gasüberwachungssystem verwendet wird. Die Vorteile dieses Verfahrens sind analog zu denen des erfindungsgemäßen Gasüberwachungssystems zu sehen.
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Bevorzugt umfasst ein erfindungsgemäßes Gasüberwachungssystem Gassensoren, die dazu ausgebildet sind, die Gaskonzentration von Sauerstoff in einer Prozessumgebung, bevorzugt einer Prozesskammer, der additiven Fertigungsvorrichtung zu erfassen.
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Als Gaskonzentration wird eine Gehaltsangabe bezeichnet, die angibt, wie viel Volumen von einem ausgewählten Gas in einem Vergleichsvolumen des Gasgemischs vorhanden ist. Bevorzugt dient die Prozessumgebung als Vergleichsvolumen für die Angabe der Gaskonzentration. Das Gasgemisch umfasst mindestens das ausgewählte Gas, kann aber auch beliebig viele andere Gase umfassen. Die Gaskonzentration wird in der Regel in der Einheit Volumenprozent angegeben. Sie kann aber auch als Stoffmengenkonzentration (Molarität, mol/l), als Massenkonzentration (g/l), als Volumenkonzentration (l/l) oder als Teilchendichte (Teilchen/l) angegeben werden. Auch die Angabe von Partialdrücken wird unter dem Begriff Gaskonzentration subsummiert. Weitere für Gase geeignete Gehaltsangaben sind dem Fachmann geläufig.
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Ein Gassensor ist ein Sensor zur Detektion gasförmiger Substanzen in einer Umgebungsatmosphäre. Die chemische Information der Umgebungsatmosphäre wird durch den Gassensor insbesondere in ein elektrisch nutzbares Signal umgewandelt. Aufgrund des direkten Kontakts mit der Umgebungsatmosphäre und der damit verbundenen Wechselwirkungen mit dieser ist ein Gassensor anfällig für Vergiftung, d. h. ein Herabsetzung der Empfindlichkeit des Sensors durch Umwelteinflüsse bis hin zur Inaktivität des Sensors, Querempfindlichkeit zu anderen Gasen, Korrosion, Drift (langsame Veränderung des Messsignals) und Alterung.
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Ein Gassensor, der selektiv auf Sauerstoff reagiert, wird als Sauerstoffsensor bezeichnet. Die Messung der Gaskonzentration von Sauerstoff wird u. a. auch als Oximetrie bezeichnet. Durch ihre hohe Selektivität für Sauerstoff weisen Sauerstoffsensoren unter anderem eine hohe Sensibilität auch für geringe Unterschiede in der Gaskonzentration der Umgebungsatmosphäre auf.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Sauerstoffsensor keine oder eine möglichst geringe Querempfindlichkeit zu den in der Umgebungsatmosphäre befindlichen Prozessgasen aufweist. Als Prozessgase werden in der Prozessumgebung der additiven Fertigungsvorrichtung vor allem Ar und N2 eingesetzt.
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Alternativ können beispielsweise auch Anordnungen von mehreren Sensoren, sogenannte Sensorarrays, eingesetzt werden, die dafür ausgebildet sind, verschiedene Gaskonzentrationen simultan zu erfassen. Die Sensoranordnung kann auch für Sauerstoff selektiv reagierende Sensoren umfassen.
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Vorteilhafterweise umfasst das erfindungsgemäße Gasüberwachungssystem einen ersten Gassensor, sowie einen zweiten Gassensor, wobei der erste Gassensor und der zweite Gassensor baugleich sind.
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Als baugleich werden Gassensoren dann angesehen, wenn sie in Form, den für die Herstellung verwendeten Materialien, der Konstruktion, dem Typ, den Eigenschaften und der Funktionsweise identisch sind.
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Durch den Einsatz baugleicher Gassensoren können z. B. Fehler bei der Gasüberwachung durch unterschiedliche Messsignale, welche ihren Ursprung in unterschiedlichen Wirkprinzipien der verwendeten Gassensoren haben, weitgehend ausgeschlossen werden. Ebenso ist es von Vorteil, beide Gassensoren in einem Verfahrensschritt mit der gleichen Referenz kalibrieren bzw. einstellen zu können. Außerdem ist damit nur mehr die Lagerhaltung eines Ersatzteils-Typs erforderlich.
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Vorzugsweise umfassen der erste und/oder der zweite Gassensor jeweils einen ZrO2-basierten Gassensor.
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ZrO2-basierte Gassensoren umfassen eine sauerstoffionenleitende ZrO2-Keramik als Elektrodenmaterial. Das Elektrodenmaterial kann porös oder nicht porös, dotiert oder nicht-dotiert, teilstabilisiert oder vollstabilisiert und/oder mit einer Gasdiffusionsbarriere ausgestattet sein. Die Messung einer Gaskonzentration mittels eines ZrO2-basierten Gassensors kann entweder amperometrisch oder potentiometrisch erfolgen. Amperometrische Gassensoren zeichnen sich im Wesentlichen dadurch aus, dass das Ausgangssignal des Sensors ein elektrischer Strom ist, welcher ein Maß für die Gaskonzentration der Umgebung ist, während sich potentiometrische Gassensoren im Wesentlichen dadurch auszeichnen, dass das Sensorsignal eine elektrische Spannung ist, welche ein Maß für die Verhältnisse der Partialdrücke zwischen Messmedium und einem frei definierbaren Referenzpartialdruck ist. Solche ZrO2-basierte Gassensoren werden z. B. von der Firma SENSORE Electronic GmbH oder der Firma Ntron Ltd. vertrieben. Das Messprinzip dieser Gassensoren basiert in der Regel auf einer Gasdiffusions-Grenzstromsonde.
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Besonders bevorzugt erfolgt die Gaskonzentrationsmessung amperometrisch. Amperometrische Gassensoren zeichnen sich unter anderem durch einen weiten Messbereich, hohe Genauigkeit, geringe Ansprechzeiten, geringe Temperaturabhängigkeit, geringe Aufheizzeit, geringe Querempfindlichkeit zu anderen Gasen, lange Lebensdauer sowie eine einfache Justierbarkeit aus.
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Neben dem Einsatz von amperometrischen Gassensoren können auch potentiometrische (Nernst-Sonden), resistive, paramagnetische, kapazitive, optische, thermisch-physikalische, thermische, biochemische und/oder gravimetrische Messverfahren zum Einsatz kommen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Gasüberwachungssystem zusätzlich eine Sensorsignalkombinationseinheit.
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Die Sensorsignalkombinationseinheit ist dazu ausgebildet, die Sensorsignale aus dem ersten Gassensor und die Sensorsignale aus dem zweiten Gassensor zu kombinieren.
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Unter einer Sensorsignalkombinationseinheit versteht man ein Bauteil, eine Schaltung und/oder eine softwaretechnische Lösung zur Kombination von Sensorsignalen. Die Sensorsignalkombinationseinheit kann die Sensorsignale aus dem ersten Gassensor und dem zweiten Gassensor miteinander kombinieren und/oder korrelieren, indem sie sie z. B. überlagert, addiert, multipliziert und/oder faltet. Die Sensorsignale können nach der Kombination und/oder Korrelation z. B. zusammen weitergeleitet und an einer späteren Stelle in der Signalweiterleitung wieder voneinander getrennt werden. Sie können aber auch als kombiniertes Signal verbleiben.
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Vorzugsweise ist die Sensorsignalkombinationseinheit dazu ausgebildet, Sensorsignale aus dem ersten Gassensor und Sensorsignale aus dem zweiten Gassensor zu einem kombinierten Gesamtsensorsignal zusammenzuführen.
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Unter dem kombinierten Gesamtsensorsignal versteht man ein Signal, welches durch die Kombination der Sensorsignale aus dem ersten Gassensor und dem zweiten Gassensor entstanden ist. Es handelt sich dabei nicht mehr um separate, voneinander trennbare Signale, sondern vielmehr um ein Signal, welches nicht in die Signale aufgespalten werden kann, aus welchen es durch die Kombination entstanden ist.
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Die Verwendung eines kombinierten Gesamtsensorsignals ist vorteilhaft, da es einen stabileren Datensatz für die Prozessdokumentation liefert als das jeweilige einzelne Sensorsignal. Abweichungen einzelner Messwerte aus dem ersten oder zweiten Gassensor fallen durch die Kombination beider Signale weniger schwerwiegend auf. Bei der Zusammenführung der Sensorsignale kann beispielsweise auch ein Korrektursignal in das Gesamtsensorsignal eingebunden oder vom Gesamtsensorsignal abgezogen werden, so dass Störsignale oder Rauschen unterdrückt werden.
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Bevorzugt umfasst ein erfindungsgemäßes Gasüberwachungssystem eine Sensorsignalkombinationseinheit, welche dazu ausgebildet ist, die Sensorsignale aus dem ersten Gassensor und dem zweiten Gassensor gegeneinander gewichtet zu einem kombinierten Gesamtsensorsignal zusammenzuführen. Das kombinierte Gesamtsensorsignal wird über die dritte Ausgangsschnittstelle, welche signaltechnisch der Sensorsignalkombinationseinheit zugeordnet ist, an die Betriebsüberwachungseinheit übergeben.
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Die Gewichtung der der Sensorsignale aus dem ersten Gassensor und dem zweiten Gassensor erlaubt beispielsweise die gezielte Abschwächung eines ersten Sensorsignals gegen ein zweites Sensorsignal oder umgekehrt, wobei das erste Sensorsignal z. B. aus dem Gassensor stammt, welcher das Ende der Nutzungsperiode erreicht hat. Ein gezieltes Abschwächen oder Verstärken eines ersten Sensorsignals gegen ein zweites Sensorsignals oder umgekehrt kann z. B. auch vorteilhaft sein, wenn durch die Ausnutzung des Baumraums oder die Zu- und/oder Abführung von Prozessgasen Schwankungen in der Verteilung der Gase in der Prozessumgebung auftreten und somit ein Gaskonzentrationsgefälle innerhalb der Prozessumgebung zu erwarten ist. Die Abschwächung oder Verstärkung der Sensorsignale kann sowohl dauerhaft als auch kurzfristig stattfinden.
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Bei der Gewichtung der Sensorsignale kann beispielsweise auch das Gesamtsensorsignal gegen ein Korrektursignal gewichtet werden, um die Qualität des Gesamtsensorsignals zu verbessern. Des Weiteren können die Sensorsignale auch ohne Gewichtung zusammengeführt werden. Es ist auch möglich, ein Sensorsignal, welches aus dem ersten oder zweiten Gassensor stammt, als Gesamtsensorsignal zu definieren.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Gasüberwachungssystem zusätzlich ein Nutzerinterface und/oder einen Steueralgorithmus in der Sensorsignalkombinationseinheit, das dazu ausgebildet ist, die Gewichtung der Signale des ersten Gassensors und des zweiten Gassensors zu verändern.
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Als Nutzerinterface wird eine Benutzerschnittstelle bezeichnet, über welche der Nutzer Signale aus dem erfindungsgemäßen Gasüberwachungssystem erhält und über welche der Nutzer Signale an das erfindungsgemäße Gasüberwachungssystem gibt. Die Bereitstellung der Information an den Nutzer über das Nutzerinterface kann über Bedienflächen mit Signallampen, Anzeigefelder oder softwaretechnisch über ein Visualisierungssystem erfolgen. Weitere Ausgestaltungen der Informationsbereitstellung für den Nutzer sind dem Fachmann hinreichend bekannt. Die Eingabe von Signalen über das Nutzerinterface kann über mechanische und/oder computergestützte Schnittstellen erfolgen.
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Mittels des Nutzerinterfaces kann der Nutzer manuell die Gewichtung des Signals des ersten Gassensors und des zweiten Gassensors in der Sensorsignalkombinationseinheit verändern. Somit kann er z. B. auf Veränderungen in der Prozessumgebung oder des Bauprozesses und damit verbundene Gaskonzentrationsgefälle innerhalb der Prozessumgebung reagieren und die Gewichtung des betroffenen Sensors dahingehend verändern, dass der Bauprozess selbst, die Überwachung und/oder die Dokumentation des Bauprozesses durch die Veränderung in der Prozessumgebung nicht negativ beeinflusst werden.
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Die Veränderung der Gewichtung des Signals des ersten Gassensors und des zweiten Gassensors kann auch automatisch mit Hilfe eines Steueralgorithmus in der Sensorsignalkombinationseinheit erfolgen. Beispielsweise kann der Steueralgorithmus dabei die Signalstärke und/oder den Verlauf und/oder die Frequenz oder andere Signalkenndaten zur automatischen Steuerung der Gewichtung heranziehen. So kann auch bei langen Bauzeiten ohne menschliche Überwachung sichergestellt werden, dass die Signale aus dem ersten Gassensor und dem zweiten Gassensor optimal gegeneinander gewichtet werden.
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Vorzugsweise umfasst eine erfindungsgemäße Gasüberwachungsanordnung mit einem erfindungsgemäßen Gasüberwachungssystem zusätzlich eine Betriebsüberwachungseinheit.
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Als Betriebsüberwachungseinheit wird ein System angesehen, das zur Steuerung und/oder Kontrolle und/oder Überwachung der additiven Fertigungsvorrichtung und des Bauprozesses ausgebildet ist. Die Betriebsüberwachungseinheit steuert die additive Fertigungsvorrichtung, kontrolliert die Prozessbedingungen, überwacht Prozessparameter bzw. führt zumindest eine dieser genannten Funktionen aus. Eine Betriebsüberwachungseinheit kann beispielsweise ein über eine Schnittstelle angeschlossener Computer sein. Durch den Einsatz der Betriebsüberwachungseinheit werden Kosten und Aufwand bei der Nutzung der additiven Fertigungsvorrichtung eingespart, da sie Aufgaben übernehmen kann, die andernfalls ein Nutzer übernehmen würde. Außerdem stellt der Einsatz der Betriebsüberwachungseinheit die Qualität und Sicherheit des Bauprozesses und der daraus entstehenden Objekte sicher.
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Bevorzugt ist die Betriebsüberwachungseinheit dazu ausgebildet, Signale über die erste und/oder die zweite Ausgangsschnittstelle als An-/Abschaltungssignal zu verarbeiten.
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Es ist auch denkbar, dass die Betriebsüberwachungseinheit das An-/Abschaltsignal als visuelles und/oder akustisches Signal ausgibt und/oder dieses Signal drahtlos z. B. an ein mobiles Endgerät überträgt und somit dem Nutzer die Umsetzung der An-/Abschaltung überlässt. Auch sind hierbei Kombinationen aus manueller und automatischer An-/Abschaltung möglich. So kann z. B. der Abschaltungsvorgang automatisch durch die Betriebsüberwachungseinheit gesteuert werden und für die erneute Anschaltung die Eingabe durch einen Nutzer nötig sein.
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Somit wird eine automatische An- und/oder Abschaltung der additiven Fertigungsvorrichtung und/oder der Prozessgaszufuhr ermöglicht. Auf diese Weise können lange Bauprozesse, auch während Zeiten, in welchen kein Nutzer für die Überwachung der additiven Fertigungsvorrichtung zur Verfügung steht, realisiert werden. Die Bauteilqualität kann durch die automatische An-/Abschaltung der additiven Fertigungsvorrichtung verbessert werden, da die automatische An-/Abschaltung sicherstellen kann, dass der Bauprozess nur bei vordefinierten Sauerstoffkonzentrationen in der Prozessumgebung ausgeführt wird.
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Beispielsweise kann das Fehlen und/oder die Anwesenheit des Signals aus der ersten und/oder zweiten Ausgangsschnittstelle als An-/Abschaltsignal herangezogen werden. Dazu wird ein (insbesondere kontinuierlicher) Kreuzvergleich der Signale aus dem ersten Gassensor und dem zweiten Gassensor durchgeführt. Bei Abwesenheit von mindestens einem der beiden Signale, wird der Bauprozess unterbrochen und/oder die additive Fertigungsvorrichtung abgeschaltet. Es ist ebenfalls denkbar, dass die erfindungsgemäße Betriebsüberwachungseinheit Signalkennwerte, wie z. B. die Frequenz und/oder die Amplitude und/oder den Verlauf der Signale, aus der ersten und/oder zweiten Ausgangsschnittstelle als An-/Abschaltsignal verarbeiten kann.
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Vorzugsweise ist bei einer erfindungsgemäßen Gasüberwachungsanordnung die Betriebsüberwachungseinheit dazu ausgebildet, Signale über die dritte Ausgangsschnittstelle zu Zwecken der Prozessdokumentation zu verarbeiten und/oder an eine Speichereinheit weiterzugeben.
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Die Verarbeitung der Signale aus der dritten Ausgangsschnittstelle umfasst unter anderem auch die Weitergabe der unveränderten Signale, die Modulation der Signale, die Transformation der Signale in optische, thermische, akustische und/oder mechanische Signale sowie die softwaretechnische Verarbeitung der Signale. Sie kann während des Bauprozesses und/oder nach Abschluss des Bauprozesses erfolgen.
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Als Speichereinheit wird eine interne oder externe Einheit angesehen, die zur kurzfristigen und/oder dauerhaften Speicherung der Signale verwendet werden kann. Beispielsweise werden der interne Arbeitsspeicher der Betriebsüberwachungseinheit, extern an das Betriebsüberwachungssystem angeschlossene Festplatten und portable Speichereinheiten wie Festwertspeicher oder Flash-Speicher als Speichereinheiten angesehen. Auch softwaretechnisch umgesetzte Lösungen wie z. B. Datenbanken werden als Speichereinheit angesehen. Die Weitergabe der Signale an die Speichereinheit kann z. B. über einen elektrischen Leiter, einen Lichtwellenleiter und/oder per Funk erfolgen. Sie kann während des Bauprozesses und/oder nach Abschluss des Bauprozesses erfolgen.
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Die Verarbeitung der Signale aus der dritten Ausgangsschnittstelle und/oder die Weitergabe der Signale aus der dritten Ausgabeschnittstelle ermöglichen unter anderem die Dokumentation der Sauerstoffkonzentration während des Bauprozesses, die visuelle Ausgabe der Prozessdaten und/oder die Korrelation der Sauerstoffkonzentration mit anderen Prozessdaten. Im Endeffekt verbessern die Verarbeitung der Signale aus der dritten Ausgangsschnittstelle und/oder die Weitergabe der Signale an eine Speichereinheit die Prozessdokumentation und können zur Automatisierung dieser beitragen.
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Vorzugsweise ist die Betriebsüberwachungseinheit einer erfindungsgemäßen Gasüberwachungsanordnung dazu ausgebildet, Signale aus der Sensorsignalkombinationseinheit bezüglich ihrer Signalstärke und/oder ihres Verlaufs und/oder ihrer Frequenz auszuwerten.
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Mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Betriebsüberwachungseinheit können die Signale aus der Sensorsignalkombinationseinheit automatisch ausgewertet werden. Durch die automatische Auswertung der Signale entfallen der zeitaufwändige manuelle Datentransfer und die manuelle Datenaufbereitung. Im Endeffekt können somit Kosten und Aufwand verringert werden.
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Die Auswertung der Signale aus der Sensorsignalkombinationseinheit kann beispielsweise über statistische Verfahren wie die Mittelwertbildung, die Auswertung der Standardabweichung oder über Fourier Analysen erfolgen. Neben Auswertung der o. g. Signalkenndaten ist es ebenfalls möglich, weitere typische Signalkenndaten, welche dem Fachmann bekannt sind, auszuwerten. Die Auswertung und Analyse der Signale kann sowohl kontinuierlich als auch zu diskreten Zeitpunkten erfolgen.
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Bevorzugt ist die Betriebsüberwachungseinheit einer erfindungsgemäßen Gasüberwachungsanordnung dazu ausgebildet, bei Über- und/oder Unterschreiten vordefinierter Schwellenwerte eine Abschaltfunktion der Vorrichtung zu aktivieren und/oder zu deaktivieren.
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Eine erfindungsgemäße Betriebsüberwachungseinheit ermöglicht auch eine automatische An- und/oder Abschaltung der additiven Fertigungsvorrichtung und/oder der Prozessgaszufuhr auf der Basis von vordefinierten Schwellenwerten. Somit können für jeden Bauprozess z. B. in Abhängigkeit der Baugeometrie, Baumaterial, Prozesslänge und Bauteilqualität andere Schwellenwerte definiert werden, um den Bauprozess und das resultierende Bauteil zu optimieren. Somit werden z. B. bei gleicher Qualität Bauprozessunterbrechungen minimiert und Kosten und Aufwand eingespart.
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Die Schwellenwerte für die Abschaltfunktion können absolute Werte sein. Ebenfalls ist es denkbar, Schwellenwerte für die Abschaltfunktion der Vorrichtung auf Basis der relativen (prozentualen) Veränderungen der entsprechenden Signalkenndaten zu definieren.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst eine erfindungsgemäße Gasüberwachungsanordnung zusätzlich ein Nutzerinterface, das dazu ausgebildet ist, die vordefinierten Schwellenwerte zu verändern.
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Mittels des erfindungsgemäßen Nutzerinterfaces kann der Nutzer manuell die vordefinierten Schwellenwerte, die zur Aktivierung und/oder Deaktivierung der Abschaltfunktion der Vorrichtung herangezogen werden, verändern. Somit kann er gezielt Einfluss nehmen auf den Bauprozess und mögliche An-/Abschaltungen der Vorrichtung. Beispielsweise können so materialspezifische Schwellenwerte eingegeben werden. Es ist zwar möglich, die Schwellenwerte während des Bauprozesses zu verändern, so dass eine Anpassung der Schwellenwerte an die Gegebenheiten in der Prozessumgebung während des Bauprozesses ermöglicht wird, bevorzugt erfolgt eine Veränderung der Schwellenwerte aber vor Beginn des Bauprozesses in geeigneter Weise, um die Sicherheitsfunktion der erfindungsgemäßen Gasüberwachungsanordnung und/oder des erfindungsgemäßen Gasüberwachungssystems während des Bauprozesses aufrecht zu erhalten. Durch die geeignete Veränderung der Schwellenwerte vor und/oder während des Bauprozesses verringert sich die Rate der Abschaltungen gegenüber der Rate der Abschaltungen bei automatischer Abschaltung durch die Betriebsüberwachungseinheit, da z. B. Abschaltungen aufgrund sogenannter „false positives” verhindert werden können.
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Vorzugsweise umfasst eine erfindungsgemäße additive Fertigungsvorrichtung eine Prozessumgebung, bevorzugt eine Prozesskammer, und ein erfindungsgemäßes Gasüberwachungssystem und/oder eine erfindungsgemäße Gasüberwachungsanordnung.
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Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Vorrichtung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Diese sind nicht zwangsläufig als maßstäblich zu verstehen.
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1 ist eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer additiven Fertigungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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2 ist eine schematische Blockdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gasüberwachungsanordnung mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gasüberwachungssystems.
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Die in 1 dargestellte Vorrichtung ist eine Lasersintervorrichtung als additive Fertigungsvorrichtung 1 zum Herstellen eines Objekts 2. Die additive Fertigungsvorrichtung 1 enthält eine Prozesskammer 3 als Prozessumgebung mit einer Kammerwandung 4. In der Prozesskammer 3 ist ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Wandung 6 angeordnet. In dem Behälter 5 ist ein in einer vertikalen Richtung V bewegbarer Träger 10 angeordnet, an dem eine Grundplatte 11 angebracht ist, die den Behälter nach unten abschließt und damit dessen Boden bildet. Die Grundplatte 11 kann eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein, die an dem Träger 10 befestigt ist, oder sie kann integral mit dem Träger 10 gebildet sein. Je nach verwendetem Pulver und Prozess kann auf der Grundplatte 11 noch eine Bauplattform 12 angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Das Objekt 2 kann aber auch auf der Grundplatte 11 selbst aufgebaut werden, die dann als Bauplattform dient. In 1 ist das in dem Behälter 5 auf der Bauplattform 12 zu bildende Objekt 2 unterhalb einer Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand dargestellt. Es besteht aus mehreren verfestigten Schichten und wird von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13 umgeben. Die additive Fertigungsvorrichtung 1 enthält weiter einen Vorratsbehälter 14 für ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares pulverförmiges Aufbaumaterial 15 und einen in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichter 16 zum Aufbringen des Aufbaumaterials 15 auf ein Baufeld 8 in der Arbeitsebene 7. An ihrer Oberseite enthält die Kammerwandung 4 der Prozesskammer 3 ein Einkoppelfenster 25 für die Strahlung zum Verfestigen des Pulvers. Die additive Fertigungsvorrichtung 1 enthält ferner eine Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21, der einen Laserstrahl 22 erzeugt, der über eine Umlenkeinrichtung 23 umgelenkt und durch eine Fokussiereinrichtung 24 über das Einkoppelfenster 25 auf das Baufeld 8 in der Arbeitsebene 7 fokussiert wird. Ferner enthält die additive Fertigungsvorrichtung 1 eine Steuerungseinheit 29, über die die einzelnen Bestandteile der additive Fertigungsvorrichtung 1 in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Die Steuerungseinheit 29 kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Die Prozesskammer 3 verfügt über einen ersten Gassensor 31 und einen zweiten Gassensor 32, die jeweils mit einer Schnittstelleneinheit 111 signaltechnisch verbunden sind. Gemeinsam bilden der erste Gassensor 31 und der zweite Gassensor 32 und die Schnittstelleneinheit 111 ein erfindungsgemäßes Gasüberwachungssystem 120 (vgl. 2). Die Schnittstelleneinheit 111 ist signaltechnisch mit einer Betriebsüberwachungseinheit 107 verbunden; Das Gasüberwachungssystem 120 und die Betriebsüberwachungseinheit 107 bilden gemeinsam eine erfindungsgemäße Gasüberwachungsanordnung 130 (vgl. 2).
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Im Betrieb wird zunächst zum Aufbringen einer Pulverschicht der Träger 10 um eine Höhe abgesenkt, die bevorzugt der gewünschten Schichtdicke entspricht. Unter Verwendung des Beschichters 16 wird nun eine Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials 15 aufgetragen. Die Aufbringung erfolgt zumindest über den gesamten Querschnitt des herzustellenden Objekts 2, vorzugsweise über das gesamte Baufeld 8. Anschließend wird der Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 von dem Laserstrahl 22 abgetastet, sodass das pulverförmige Aufbaumaterial 15 an diesen Stellen verfestigt wird. Die Schritte werden solange wiederholt, bis das Objekt 2 fertiggestellt ist und aus dem Behälter 5 entnommen werden kann.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) dient die Steuerungseinheit 29 gleichzeitig als Betriebsüberwachungseinheit 107, d. h. die Betriebsüberwachungseinheit 107 ist von der Steuerungseinheit 29 umfasst.
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2 ist eine Detailansicht der erfindungsgemäßen Gasüberwachungsanordnung 130 des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels.
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Das von der Gasüberwachungsanordnung 130 umfasste erfindungsgemäße Gasüberwachungssystem 120 umfasst einen ersten ZrO2-basierten Sauerstoffsensor 31 als Gassensor 31 und einen zweiten ZrO2-basierten Sauerstoffsensor 32 als Gassensor 32, welche in der Prozesskammer 3 angeordnet sind. Die beiden Gassensoren 31 und 32 sind baugleich. Sie sind signaltechnisch mit einem Safety Interface Board 111 als Schnittstelleneinheit 111 gekoppelt. Die Schnittstelleneinheit 111 umfasst ein erstes Relais als Schwellenwertschalter 104, ein zweites Relais als Schwellenwertschalter 105, eine erste Ausgangsschnittstelle 106, eine zweite Ausgangsschnittstelle 108, eine dritte Ausgangsschnittstelle 109 sowie eine computerprogrammierte Sensorsignalkombinationseinheit 110. Der erste Schwellenwertschalter 104 sowie die erste Ausgangsschnittstelle 106 sind signaltechnisch dem ersten Gassensor 31 zugeordnet, der zweite Schwellenwertschalter 105 sowie die zweite Ausgangsschnittstelle 108 dem zweiten Gassensor 32. Die Sensorsignalkombinationseinheit 110 ist signaltechnisch den beiden Gassensoren 31 und 32 zugeordnet, die dritte Ausgangsschnittstelle 109 der Sensorsignalkombinationseinheit 110.
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Die Gasüberwachungsanordnung 130 umfasst neben dem Gasüberwachungssystem 120 einen Computer als Betriebsüberwachungseinheit 107 sowie einen Touch Screen oder einen Computer mit Maus und Tastatur zur Befehlseingabe als Nutzerinterface 113. Die Betriebsüberwachungseinheit 107 ist signaltechnisch der ersten, zweiten und dritten Ausgangsschnittstelle 106, 108, 109 sowie dem Nutzerinterface 113 zugeordnet. Die Sensorsignalkombinationseinheit 110 ist ebenfalls signaltechnisch dem Nutzerinterface 113 zugeordnet.
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Die Signale des ersten Gassensors 31 und des zweiten Gassensors 32 werden durch die Sensorsignalkombinationseinheit 110 zu einem Gesamtsensorsignal kombiniert. Das Gesamtsensorsignal wird über die dritte Ausgangsschnittstelle 109 an die Betriebsüberwachungseinheit 107 zur Prozessdokumentation weitergeleitet. Über das Nutzerinterface 113 werden Befehle eines Nutzers an die Betriebsüberwachungseinheit 107 und die Sensorsignalkombinationseinheit 110 übergeben.
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Im Betrieb werden die elektrischen Signale aus dem ersten Gassensor 31 an den ersten Schwellenwertschalter 106, die Signale aus dem zweiten Gassensor 32 an den zweiten Schwellenwertschalter 108 weitergegeben. Die beiden Schwellenwertschalter 106, 108 verarbeiten das jeweils zugeordnete elektrische Signal unabhängig voneinander als An-/Abschaltsignal.
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In einer Gasüberwachungsanordnung 130 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist es ferner denkbar, dass bei der Sensorsignalkombination in der Sensorsignalkombinationseinheit 110 auch die Gewichtung von Signalen des ersten Gassensors 31 gegen Signale des zweiten Gassensors 32 und umgekehrt über das Nutzerinterface 113 vom Nutzer einstellbar ist.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) umfasst die Gasüberwachungsanordnung 130 neben dem Nutzerinterface 113 mindestens ein zweites Nutzerinterface, welches insbesondere Teil-Aufgaben des Nutzerinterfaces 113 wie z. B. die Eingabe der Gewichtung der Sensorsignale aus dem ersten und zweiten Gassensor 31, 32 gegeneinander oder zusätzliche Aufgaben wie z. B. die Anzeige der aktuellen Prozessbedingungen übernehmen kann.
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Auch wenn die vorliegende Erfindung anhand einer Lasersinter- bzw. Laserschmelzvorrichtung beschrieben wurde, ist sie nicht auf das Lasersintern oder Laserschmelzen eingeschränkt. Sie kann auf beliebige Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch additive Fertigung angewendet werden, also beispielsweise auch auf sogenannte 3-D-Druckverfahren, bei denen ein Aufbaumaterial durch lokales selektives Hinzufügen (insbesondere Drucken, etwa mittels eines Materialstrahls) eines das Aufbaumaterial in sich verbindenden Materials zu einem dreidimensionalen Körper verfestigt wird.
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Der Laser kann beispielsweise einen Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser umfassen. Allgemein kann auch jede Einrichtung verwendet werden, mit der Energie selektiv in das Aufbaumaterials eingebracht werden kann. Anstelle eines Lasers können beispielsweise eine Mehrzahl von Lasern, eine andere Lichtquelle, ein Elektronenstrahl oder jede andere Energie- bzw. Strahlenquelle verwendet werden, die geeignet ist, das Aufbaumaterial zu verfestigen. Auch auf das selektive Maskensintern, bei dem eine ausgedehnte Lichtquelle und eine Maske verwendet werden, oder auf das Absorptions- bzw. Inhibitionssintern kann die Erfindung angewendet werden.
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Als Aufbaumaterial können insbesondere alle Pulver bzw. Pulvermischungen verwendet werden, vorzugsweise jene, die durch einen Wärmeenergieeintrag erweicht, angeschmolzen oder aufgeschmolzen werden, und nach dem Wiedererkalten sich zu einem Festkörper verbunden haben. Solche Pulver umfassen z. B. Kunststoffpulver wie Polyamid oder Polystyrol, PAEK (Polyaryl Ether Ketone), Elastomere, wie PEBA (Polyether Block Amide), kunststoffbeschichteten Sand, Keramikpulver oder Metallpulver, z. B. Edelstahlpulver oder andere, an den jeweiligen Zweck angepasste Metallpulver, insbesondere Legierungen. Das Aufbaumaterial kann aber auch flüssig bereitgestellt werden, wie dies bei ebenfalls von der Erfindung umfassten Stereolithographieanlagen der Fall ist.
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Als Schutzgas eignet sich je nach verwendetem Aufbaumaterial ein Gas, das mit dem Aufbaumaterial im Wesentlichen keine chemische Reaktion eingeht, beispielsweise bei Kunststoffpulver vorzugsweise Stickstoff oder bei Metallpulver vorzugsweise Argon und/oder Stickstoff. Auch ist es denkbar, den Bauprozess bei Unterdruck in der Prozessumgebung durchzuführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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