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Mit zunehmender Größe des Baufelds bei Maschinen zur additiven Fertigung wird die Prozesskammer größer und damit werden Reinigungs-, Mess- und Wartungsarbeiten zunehmend schwieriger. Baufelder können beispielsweise Abmessungen von 600 mm x 600 mm aufweisen, wobei größere Baufelder entwickelt und z.B. zur Konstruktion von Leichtbauteilen in der Luftfahrtindustrie dringend benötigt werden. Bedingt durch die Größe sind einzelne Komponenten der Prozesskammer durch Reinigungs- und/oder Wartungspersonal nur noch eingeschränkt erreichbar. Dies gilt insbesondere für Maschinen, bei denen ein Granulat oder pulverförmiger Rohstoff, zum Beispiel mithilfe eines Laserstrahls, selektiv verfestigt wird. Verunreinigungen beim Bauprozess und Verschleiß gefährden die Betriebsbereitschaft der Anlage.
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Bei vielen heutigen Anlagen ist für Reinigungs- und Servicearbeiten ein Öffnen der Prozesskammer notwendig. Dafür ist in vielen Anlagen eine Tür für manuelle Eingriffe vorgesehen. Dies führt zu einer Verunreinigung der Prozesskammer und zum Verlust von Schutzgas, welches typischerweise die Prozesskammer füllt.
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Die
DE 20 2013 009 787 U1 schlägt vor, eine Baukammer im gegenüber der Umgebungsatmosphäre abgedichteten Zustand aus einer Betriebsposition, in der eine auf den Träger aufgebrachte Rohstoffpulverschicht mittels der Bestrahlungseinrichtung mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagt wird, in eine Wechselposition außerhalb der Werkstückerzeugungssektion zu überführen. Auf diese Weise kann die Baukammer gewechselt werden und unter kontrollierten Bedingungen befüllt und entleert werden. Ein vergleichbares Konzept einer Wechselbaukammer bzw. eines Wechselbauzylinders findet sich in der
EP 3 263 316 A1 .
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Die
EP 1 793 979 B1 schlägt eine Schleusenkammer vor, durch die Gegenstände, wie z.B. Werkstücke, von der Umgebungsatmosphäre in die Schutzgasatmosphäre der Prozesskammer und zurückgebracht werden können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, das Aufrechterhalten oder Wiederherstellen der Betriebsbereitschaft einer Anlage zur additiven Fertigung zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
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Die Verwendung der Einzahl soll die Mehrzahl nicht ausschließen, was auch im umgekehrten Sinn zu gelten hat, soweit nichts Gegenteiliges offenbart ist.
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Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Aufrechterhalten der Betriebsbereitschaft einer Anlage zur additiven Fertigung vorgeschlagen. Zum Aufrechterhalten der Betriebsbereitschaft zählt beispielsweise das Reinigen und/oder Instandhalten der Anlage oder der Prozesskammer. Insbesondere im Falle eines additiven Fertigungsverfahrens, bei dem mit Lichtstrahlen gearbeitet wird, zum Beispiel beim Laser-Sintern, kann zur Aufrechterhaltung der Betriebsbereitschaft auch das Ausmessen des Lichtstrahls, etwa zur Bestimmung seiner Position oder seines Fokus-Durchmessers, gehören.
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Die Anlage verfügt dabei über folgendes:
- - eine Werkstückerzeugungssektion zur Herstellung eines Werkstücks durch selektives Verfestigen einer Schicht aus einem granularen Rohstoff.
- - eine Prozesskammer. Die Prozesskammer ist der Raum, in dem die additive Fertigung von statten geht. Sie ist typischerweise gegenüber der Umgebungsatmosphäre abgedichtet und verfügt über Mittel zum schichtweisen Zuführen des granularen Rohstoffs.
- - einen Träger zur Aufnahme des granularen Rohstoffs sowie eines durch ein generatives Schichtaufbauverfahren aus dem granularen Rohstoff hergestellten Werkstücks, wobei der Träger und die Prozesskammer mit zunehmender Bauhöhe des auf dem Träger erzeugten Werkstücks relativ zueinander verfahrbar sind. Die Relativbewegung ist in der Praxis häufig eine Bewegung des Trägers aus der Prozesskammer heraus nach unten. Ebenso gut kann sich aber auch die Prozesskammer nach oben heben, oder aber sowohl der Träger als auch die Prozesskammer an der Bewegung beteiligt sein.
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Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- - Ein Träger wird mit mindestens einem Werkzeug oder Ersatzteil bestückt. Der mit dem Werkzeug oder Ersatzteil bestückte Träger ist entweder der bereits erwähnte Träger für den Aufbau des Werkstücks (sog. Bau-Träger) oder ein zweiter Träger, der gegen den Bau-Träger ausgetauscht werden kann (sog. Wechsel-Träger).
- - Die Bestückung wird außerhalb der Prozesskammer durchgeführt, beispielsweise unter Umgebungsatmosphäre.
- - Der bestückte Träger wird anschließend über eine für den Träger in der Prozesskammer vorbestimmte Öffnung an eine vorbestimmte Position an der Prozesskammer verfahren, welche typischerweise einer möglichen Position während des Bauprozesses entspricht. Die vorbestimmte Position an der Prozesskammer kann beispielsweise die Position sein, an der sich der Träger typischerweise zu Beginn der Herstellung eines Werkstücks in der Prozesskammer oder unmittelbar unterhalb der Prozesskammer befindet.
- - Mithilfe des mindestens einen Werkzeugs oder Ersatzteils wird die Betriebsbereitschaft der Anlage aufrecht erhalten.
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Auf diese Weise kann das Werkzeug oder Ersatzteil mithilfe eines Trägers von außen in die Prozesskammer gebracht werden. Zum Einbringen von Werkzeug in die Prozesskammer muss dann keine Tür der Prozesskammer mehr geöffnet werden. Es erübrigt sich damit eine Tür für die Prozesskammer überhaupt. Damit fallen viele Störquellen und Schmutz-fangende Ecken oder Fugen weg.
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Wird ein Träger außerhalb der Prozesskammer mit Werkzeug bestückt, kann die Schutzgas-Atmosphäre in der Prozesskammer erhalten bleiben. Dies spart nicht nur Schutzgas, zum Beispiel Argon - mit den damit verbundenen Kosten-Einsparungen -, sondern es schützt die Prozesskammer auch vor Verunreinigungen. In gleicher Weise schützt es davor, dass Schutzgas und / oder granularer Rohstoff in die äußere Umgebung gelangen, da letzterer gesundheitsschädlich sein kann. Dies verbessert die Arbeitssicherheit für den Anwender. Ebenso können gewisse Prozesse auf diese Weise beschleunigt werden, da nicht auf erneutes Fluten mit Schutzgas gewartet werden muss.
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In einer Weiterentwicklung verfügt die Anlagen zur additiven Fertigung über eine Transporteinrichtung zum Verfahren des Trägers von einer Position außerhalb der Prozesskammer, in der der Träger bestückt werden kann, zu einer Position an der Prozesskammer, welche einer möglichen Position während des Bauprozesses entspricht - und in umgekehrter Richtung. Eine solche Transporteinrichtung kann dazu verwendet werden, Werkzeug oder Ersatzteile in die Prozesskammer zu bringen.
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Dazu wird der bestückte Träger außerhalb der Prozesskammer mit Werkzeug oder Ersatzteilen bestückt und nach dem Bestücken mittels der Transporteinrichtung an die vorbestimmte Position an der Prozesskammer verfahren.
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Auf diese Weise kann eine evtl. ohnehin vorhandene Transporteinrichtung dazu genutzt werden, Werkzeug oder Ersatzteile in die Prozesskammer zu bringen, ohne dass die Prozesskammer dafür geöffnet werden muss, zum Beispiel durch Öffnen einer Tür zur Umgebungsatmosphäre.
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In der Prozesskammer stehen beispielsweise Handschuhe zur Verfügung, in die man durch eine Wand der Prozesskammer hindurchgreifen kann, um mit dem Werkzeug oder Ersatzteil z.B. Wartungsarbeiten durchzuführen. Solche Handschuhe sind hinlänglich bekannt (siehe z.B.
DE 20 2014 009 347 U1 ). Sie sind gegenüber der Wand abgedichtet, sodass keinerlei Verunreinigungen von der Außenwelt in die Prozesskammer dringen bzw. Schutzgas austritt.
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In manchen Anlagen zur additiven Fertigung sind Einrichtungen zum Austausch des Trägers vorhanden, um fertige Werkstücke aus der Prozesskammer zu holen (s. z.B. die eingangs zitierte
DE 20 2013 009 787 U1 ). Typischerweise wird der Träger dabei aus der Prozesskammer heraus nach unten verfahren. Andere translatorische oder rotatorische Bewegungen sind ebenfalls denkbar. So kann z.B. in der Wand des unterhalb der Prozesskammer befindlichen Zylinders (siehe unten) eine Tür vorgesehen sein, durch die der Träger aus der Prozesskammer heraus verfahren werden kann. Erfindungsgemäß können diese vorhandenen Einrichtungen genutzt werden, um Werkzeuge und Ersatzteile zur Wartung oder Instandhaltung der Prozesskammer bzw. der Anlage als Ganzes in die Prozesskammer zu bringen.
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Der mit Werkzeug oder einem Ersatzteil bestückte Träger wird vorzugsweise zumindest teilweise durch eine Bewegung entgegen der Relativverschiebung während des Bauvorgangs an die für den Träger vorbestimmte Position in der Prozesskammer verfahren. Als ein Ausführungsbeispiel ist vorstellbar, dass der Träger die Prozesskammer nach unten fahrend verlässt und mit einer seitlichen Bewegung zum Beispiel durch eine Schleuse für die Schutzgas-Atmosphäre in einen anderen Bereich der Anlage gefahren wird, wo er mit Werkzeug oder einem Ersatzteil bestückt werden kann. Um diese anschließend in die Prozesskammer einzubringen fährt der Träger durch die Schleuse unter die Prozesskammer, um schließlich angehoben zu werden.
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In vielen Fällen wird der Träger von Wänden umgeben, innerhalb derer er seine Relativbewegung zur Prozesskammer ausführt. Der Träger bildet mit den Wänden zusammen eine Einheit, die in der Fachsprache als „Zylinder“ bezeichnet wird, auch wenn sie keine zylindrische Form haben muss, sondern i.d.R. einem Quader nahekommt. Bei einer solchen Bauform wird der Träger zusammen mit den Wänden, also der Zylinder, außerhalb der Prozesskammer bestückt und anschließend in die Prozesskammer eingebracht.
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Wie im Falle des Trägers spricht man hier typischerweise von einem Bau-Zylinder für den Aufbau von Werkstücken und einem Wechsel-Zylinder, wenn die Zylinder ausgetauscht werden können.
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Auf diese Weise kann das Werkzeug oder Ersatzteil mithilfe eines Wechsel-Zylinders in die Prozesskammer gebracht werden. Da die Werkzeuge oder Ersatzteile typischerweise eine gewisse Höhe aufweisen, sind sie innerhalb eines solchen Zylinders geschützt. Der Wechsel-Zylinder fungiert zunächst einmal als Transportbehälter, über den die Werkzeuge oder Ersatzteile in die Prozesskammer gelangen. Er kann aber auch andere Funktionen übernehmen, wenn mit dem Zylinder bspw. Daten und Medien zur Steuerung von Funktionen übertragen werden.
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Ein für diese Zwecke genutzter Wechsel-Zylinder kann daher in der Fachsprache als „Servicezylinder“ bezeichnet werden. Mit einem solchen Servicezylinder lassen sich Wartungsarbeiten bei geschlossener Prozesskammer durchführen. Alle für die Arbeit notwendigen Komponenten befinden sich im oder am Servicezylinder und werden mit diesem in die Prozesskammer eingebracht. Wie bereits erwähnt entfällt die Notwendigkeit, die Prozesskammer zu öffnen, um Werkzeug einzubringen. Damit entfällt ggf. wiederum die Notwendigkeit, an der Prozesskammer eine Tür zur Umgebungsatmosphäre vorzusehen.
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Ferner lassen sich auf diese Weise der Automatisierungsgrad und somit die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit erhöhen und Personalkosten sparen.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel wird als Werkzeug ein Reinigungswerkzeug und / oder ein Reinigungsmittel zur Bestückung des Trägers verwendet. Im einfachsten Fall kann das Reinigungswerkzeug ein Pinsel zum Entfernen von überflüssigem Pulver / granularem Rohstoff sein, das sich an Rändern und Ecken der Prozesskammer abgelagert hat. Ein Reinigungsmittel kann beispielsweise ein Glasreiniger zum Reinigen von optischen Komponenten sein im Falle einer Anlage zur additiven Fertigung, die Licht zum Verfestigen des granularen Rohstoffs verwendet. Zu den optischen Komponenten zählt bei einer solchen Anlage insbesondere die Strahleintrittsscheibe. So kann der Träger beispielsweise mit einem Glasreiniger und geeigneten Tüchern bestückt werden.
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In einer nächsten Ausbaustufe könnte als Reinigungsmittel eine Einrichtung zum Versprühen einer Reinigungsflüssigkeit bereitgestellt werden. Eine typische Reinigungsflüssigkeit könnte Isopropanol sein. Zusammen mit den ggf. in die Prozesskammer mit eingebrachten Reinigungswerkzeugen kann so eine effektive Reinigung insbesondere optischer Komponenten erreicht werden.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Anlage für die additive Fertigung eines Werkstücks, wobei die Anlage Folgendes aufweist:
- - eine Werkstückerzeugungssektion zur Herstellung des Werkstücks durch selektives Verfestigen einer Schicht aus einem granularen Rohstoff;
- - eine Prozesskammer;
- - einen Träger zur Aufnahme des granularen Rohstoffs sowie eines durch ein generatives Schichtaufbauverfahren aus dem granularen Rohstoff hergestellten Werkstücks, wobei der Träger und die Prozesskammer mit zunehmender Bauhöhe des auf dem Träger erzeugten Werkstücks relativ zueinander verfahrbar sind;
- - eine Einheit außerhalb der Prozesskammer zum Bestücken eines Trägers mit mindestens einem Werkzeug oder Ersatzteil; und
- - eine Transporteinrichtung zum Bewegen des bestückten Trägers von einer Position außerhalb der Prozesskammer, in der der Träger bestückt werden kann, an eine vorbestimmte Position an der Prozesskammer, welche einer möglichen Position während des Bauprozesses entspricht. Die Transporteinrichtung zum Bewegen des bestückten Trägers kann die üblichen Mittel umfassen, etwa Elektromotoren, Laufbänder, Schienen, Hydraulikanlagen, etc., wie sie in Anlagen zur additiven Fertigung heutzutage anzutreffen sind.
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Eine solcherart ausgerüstete Anlage braucht an der Prozesskammer keine Tür mehr, um Werkzeug oder Ersatzteile in die Prozesskammer zu bringen. Damit fallen viele Störquellen und Schmutz-fangende Ecken oder Fugen weg.
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Um die Prozesskammer noch besser vor Verschmutzungen zu schützen und Schutzgas einzusparen, kann die Anlage eine Schleuse für den bestückten oder unbestückten Träger aufweisen, die der Träger auf seinem Weg von außerhalb der Prozesskammer an die vorbestimmte Position an der Prozesskammer durchlaufen kann. Dabei ist die Schleuse derart ausgebildet, dass sie die unter einer Schutzgas-Atmosphäre sich befindende Prozesskammer gegen den Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre abschirmt.
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In den meisten Anlagen ist der Träger von Wänden umgeben, innerhalb derer er während des Aufbaus eines Werkstücks eine Relativbewegung zur Prozesskammer ausführt. Dabei bildet der Träger typischerweise mit den Wänden zusammen eine Einheit, die als solche bewegt werden kann. Diese Einheit wird in der Fachsprache als Zylinder bezeichnet, auch wenn ihre Form i.d.R. eher einem Quader gleicht. Erfindungsgemäß kann dieser Zylinder außerhalb der Prozesskammer bestückt werden und anschließend an eine vorbestimmte Position an der Prozesskammer verfahren werden, welche typischerweise einer möglichen Position während des Bauprozesses entspricht.
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Entsprechend kann die Anlage eine Schleuse für den Zylinder aufweisen, die der Zylinder auf seinem Weg von außerhalb der Prozesskammer an die vorbestimmte Position an der Prozesskammer durchlaufen kann. Dabei ist die Schleuse derart ausgebildet, dass sie die unter einer Schutzgas-Atmosphäre sich befindende Prozesskammer gegen den Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre abschirmt. In der Regel wird der Zylinder in der Schleuse mit der Schutzgas-Atmosphäre geflutet.
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Um die Einheit / den Zylinder gegen den Verlust von Schutzgas oder gegen sonstige Verunreinigungen oder Beeinträchtigungen zu schützen, kann ein Verschluss (umgangssprachlich: Deckel) auf dem Zylinder vorgesehen sein, der wahlweise entfernt oder aufgesetzt werden kann. Auf diese Weise ist der Zylinder vor weiteren Verunreinigungen geschützt und die in ihm befindliche Schutzgas-Atmosphäre bleibt erhalten.
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Bisher unbekannte Möglichkeiten eröffnen sich, wenn das in die Prozesskammer eingebrachte Werkzeug Mittel zum Vermessen eines elektromagnetischen Strahlenbündels aufweist. Mithilfe derartiger Messmittel kann zum Beispiel die Optik in einer Laser-Sinter-Anlage überwacht werden, ohne die Prozesskammer zu öffnen. Dabei ist denkbar, v.a. bei größeren Bauteilen, dass eine Korrektur oder Neujustierung, z.B. des Lasers, zwischen zwei Bauprozessen vorgenommen wird.
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Dabei können die Mittel zum Vermessen eines elektromagnetischen Strahlenbündels über drahtlose Mittel zur Energieversorgung verfügen. In einem solchen Fall müssen insbesondere keine Stromkabel in die Prozesskammer mitgeführt werden.
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Für die drahtlose Energieübertragung können die üblichen Methoden verwendet werden, insbesondere eine induktive Kopplung, insbesondere eine resonante induktive Kopplung, eine kapazitive Kopplung oder ein Laserstrahl, dessen Lichtleistung mithilfe einer Fotozelle an den Mitteln zum Vermessen eines elektromagnetischen Strahlenbündels in Strom umgewandelt wird.
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Als Alternative zu einer drahtlosen Energieversorgung bietet sich das Andocken an eine in der Prozesskammer - oder deren Nähe - vorhandene Schnittstelle oder das Mitführen einer Energiequelle, etwa einer Batterie, an.
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In einer ersten Variante können die Mittel zum Vermessen eines elektromagnetischen Strahlenbündels derart ausgebildet sein, dass sie die Strahlungsleistung messen können. Wird beispielsweise ein Abfall der Strahlungsleistung gemessen, kann dies ein Hinweis darauf sein, dass Linsen oder sonstige Glasplatten verschmutzt sind. Wird dies festgestellt, kann anschließend mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Reinigungswerkzeug und ein Reinigungsmittel in die Prozesskammer gebracht werden, um die Linsen oder Glasplatten wieder zu reinigen.
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Für die Vermessung der Strahlungsleistung können die üblichen Komponenten, wie etwa eine Photodiode, eingesetzt werden.
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In einer Weiterentwicklung können die Mittel zum Vermessen eines elektromagnetischen Strahlenbündels derart ausgebildet sein, dass sie die räumliche Verteilung der Strahlungsleistung messen können.
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Auf diese Weise kann beispielsweise der Fokus oder die Kaustik des für die additive Fertigung verwendeten Strahls, zum Beispiel eines Laserstrahls, etwa eines Infrarot-Lasers, vermessen werden. Dabei kann auch die grundsätzlich in solchen Anlagen vorhandene Möglichkeit, den Träger in der Höhe zu verstellen, genutzt werden. Auf diese Weise kann der Fokus in verschiedenen Ebenen vermessen werden. Es kann so überprüft werden, ob eine Dejustierung der Optik stattgefunden hat. Denkbar ist auch, dass mithilfe einer solchen Komponente eine erneute Justierung des elektromagnetischen Strahls durchgeführt werden kann - automatisch oder gesteuert durch eine Person.
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Für die Vermessung der räumlichen Verteilung der Strahlungsleistung können die üblichen Komponenten, wie etwa eine CCD, ein Kamerachip o.ä., eingesetzt werden.
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Es können zum Vermessen der räumlichen Verteilung der Strahlungsleistung aber auch Scanfeld-Korrektur-Mittel in die Prozesskammer eingebracht werden. Ein typisches Scanfeld-Korrektur-Mittel wäre die bekannte Scanfeld-Korrektur-Platte, wie sie etwa in
WO 2018/153687 A1 beschrieben ist. Im Rahmen der Erfindung können diese in die Prozesskammer eingebracht werden, ohne die Prozesskammer öffnen zu müssen.
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Um die Messergebnisse aus der Prozesskammer heraus nach außen übermitteln zu können, können die Mittel zum Vermessen eines elektromagnetischen Strahlenbündels Mittel zur drahtlosen Datenübertragung aufweisen.
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Als Mittel zur drahtlosen Datenübertragung kommen die üblichen Mittel in Betracht, etwa eine Bluetooth- oder WLAN-Verbindung, eine Kommunikation mittels NFC oder Ähnlichem. Zu diesem Zweck können die Mittel zum Vermessen gegebenenfalls eine Energieversorgung, etwa eine Batterie, mitführen, sofern sie nicht drahtlos mit Energie versorgt werden.
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Dies ermöglicht die Auswertung der gemessenen Eigenschaften des elektromagnetischen Strahls in Echtzeit, ohne dass mechanische Probleme durch Kabel entstehen.
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Als Alternative zu einer drahtlosen Datenübertragung bietet sich das Andocken an eine in der Prozesskammer - oder deren Nähe - vorhandene Schnittstelle an.
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Zur weiteren Überwachung und Aufrechterhaltung der Betriebsbereitschaft der Anlage kann das in die Prozesskammer eingebrachte Werkzeug Mittel zum Messen der Temperatur, der Strömung, des Sauerstoff-Gehalts oder der Feuchtigkeit von Gasen aufweisen.
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Die Mittel zum Messen der Temperatur können die üblichen elektronischen oder sichtbaren Thermometer sein.
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In der Prozesskammer wird während des Aufbauprozesses eine Schutzgas-Strömung geführt, um den gegebenenfalls entstehenden Schmauch, Rauch oder Ruß zu entfernen. Mithilfe der erfindungsgemäß in die Prozesskammer eingebrachten Mittel zum Messen der Strömung von Gasen kann diese Schutzgas-Strömung überprüft werden. Die Mittel zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit, als ein Beispiel physikalischer Größen von Fluidströmungen, können die üblichen sein, wie etwa ein Hitzdraht-Anemometer, ein Flügelrad-Anemometer, ein Schalen-Anemometer, ein Staudruck-Anemometer oder ein Laser-Doppler-Anemometer. Ein Laser-Doppler-Anemometer ermöglicht dabei - im Gegensatz zu den anderen in der Aufzählung aufgeführten Anemometern - die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ohne Strömungsbeeinflussung.
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In einer Weiterentwicklung der Anlage kann das in die Prozesskammer eingebrachte Werkzeug ein Roboter oder Roboterarm sein. Mithilfe eines solchen Roboters können Wartungsarbeiten vorgenommen werden. Der Roboter kann auch zusammen mit Werkzeug und Ersatzteilen in die Prozesskammer verfahren werden. Er kann dann Reinigungsarbeiten, Vermessungen oder den Austausch von Ersatzteilen vornehmen.
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Damit der Roboter von außerhalb der Prozesskammer gesteuert werden kann, wenn er sich in der Prozesskammer befindet, um die nötigen Arbeiten durchzuführen, kann der Roboter über drahtlose Mittel zum Austausch von Daten und Steuerbefehlen verfügen.
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Die drahtlosen Mittel zum Austausch von Daten und Steuerbefehlen können wiederum die üblichen Mittel sein, etwa Bluetooth, WLAN oder NFC. Auch der Roboter kann zu diesem Zweck eine eigenständige Energieversorgung, etwa eine Batterie, mit sich führen.
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Die Energie kann aber auch drahtlos auf den Roboter übertragen werden.
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Schließlich kann der Roboter über eine Steuerung verfügen, die es erlaubt, mithilfe des Roboters autonom Arbeiten zum Aufrechterhalten der Betriebsbereitschaft der Anlage auszuführen. Mit einem solcherart ertüchtigen Roboter lassen sich Reinigungs- und Messarbeiten automatisiert oder teilautomatisiert durchführen.
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Wenn der Servicezylinder an der für die Arbeit vorgesehenen Position angekommen ist, können Medienanschlüsse manuell und / oder automatisch angeschlossen werden. Medien, z.B. Schutzgas, Wasser, Isopropanol o. ä., können alternativ auch im Servicezylinder mit eigenem Speicher bevorratet und mitgeführt werden.
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Eine umfassend ausgebaute Anlage kann über Parkpositionen für eine Mehrzahl von Trägern und / oder Einheiten aus Trägern und Wänden, also Zylinder, verfügen. Diese Träger können sowohl bereits bestückt als auch unbestückt sein. Die Bau-Zylinder, die zum Aufbauen von Werkstücken verwendet werden, haben dabei typischerweise die gleichen räumlichen Abmessungen wie die Service-Zylinder, die zum Einbringen von Werkzeugen und Ersatzteilen verwendet werden. Die Parkpositionen sind dann Parkpositionen für Bau-Zylinder und Service-Zylinder gleichermaßen. Die Parkpositionen können in die Anlage integriert sein oder sich an diese anschließen.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:
- 1 eine Anlage für die additive Fertigung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Servicezylinders zum Einbringen von Reinigungswerkzeugen und -mitteln;
- 3 eine schematische Darstellung eines Servicezylinders zum Einbringen eines Roboters;
- 4 eine schematische Darstellung eines Servicezylinders zum Einbringen einer Einrichtung zum Versprühen von Isopropanol und eines Scheibenwischers;
- 5 eine schematische Darstellung eines Servicezylinders zum Einbringen von Mitteln zum Vermessen der Leistung und der räumlichen Verteilung von elektromagnetischer Strahlung;
- 6 eine schematische Darstellung eines Servicezylinders zum Einbringen einer Sca nfeld-Korrektu r-Platte;
- 7 eine Anordnung mit einer Mehrzahl von Anlagen für die additive Fertigung gemäß 1 mit einer Parkpositionen für eine Mehrzahl von Zylindern.
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1 zeigt eine Anlage 100 zur additiven Fertigung mit einer optischen Bank 110 und einer Prozesskammer 120. An die Prozesskammer 120 kann ein Bau- bzw. Servicezylinder 130 angeschlossen werden. Der Anschluss erfolgt über eine Öffnung in der Prozesskammer 120, die durch eine Verschlusseinheit 140 abgeschlossen werden kann. Die Verschlusseinheit 140 kann zur Seite verfahren werden.
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Der Bau- bzw. Servicezylinder 130 besteht aus einem Träger 170 und Wänden 160. Der Träger 170 kann durch ein Linearsystem in vertikaler Richtung bewegt werden.
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Dazu verfügt das Linearsystem über ein Hubsystem 180 und eine Hubstange 190, die den Träger 170 bewegt.
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Vor der Anlage 100 befindet sich eine Rahmenstruktur 195 mit Fördereinrichtungen zum Austausch von Zylindern 130, z.B. zum Austausch eines Bauzylinders nach einem abgeschlossenen Bauvorgang oder für den Einsatz eines Servicezylinders zur Aufrechterhaltung und Wiederherstellung der Betriebsbereitschaft der Anlage 100. Die Zylinder 130 werden dabei in dieser Ausführungsform von der Fördereinrichtung der Rahmenstruktur 195 von einer Bauposition direkt unterhalb der Anlage 100 in eine Wechselposition neben der Anlage 100 verfahren.
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Durch die Möglichkeit, die Betriebsbereitschaft der Anlage 100 mithilfe eines Servicezylinders 130 aufrecht zu erhalten bzw. wiederherzustellen, werden keine weiteren Zugänge zur Prozesskammer 120 benötigt. Insbesondere entfällt die Notwendigkeit für eine Tür, über die Mittel zum Aufrechterhalten oder Wiederherstellen der Betriebsbereitschaft der Anlage 100 eingebracht werden.
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2 zeigt einen Träger 200 in einem Servicezylinder 205 mit Wänden 210 sowie einem Deckel 220. Diese bilden zusammen einen Servicezylinder 205 mit Deckel 220. Der in 2 gezeigte Servicezylinder 205 dient dazu, Reinigungsmittel und - werkzeuge 230 in die Prozesskammer einzubringen. Beispielhaft gezeigt sind als Reinigungsmittel 230 eine Flasche zum Versprühen einer Reinigungsflüssigkeit, zum Beispiel Isopropanol. Ferner sind gezeigt Reinigungstücher und ein Pinsel. Auf der Trägerplatte 200 sind Halterungen 240 zur Transportsicherung der Reinigungswerkzeuge und Reinigungsmittel 230 vorgesehen.
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Der Deckel 220 dichtet den Servicezylinder 205 ab. Er wird beim Anschließen des Servicezylinders 205 an eine Prozesskammer 120 einer Anlage 100 von einer Deckelpositionieranordnung zur Seite verschoben. Ähnlich wird mit der Verschlusseinheit 140 verfahren. Auf diese Weise kann der Servicezylinder vor seinem Einsatz in einer Anlage 100 mit Schutzgas befüllt werden.
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3 zeigt einen Servicezylinder 305 mit einer Trägerplatte 300, einem Deckel 320 und Wänden 310. Der Servicezylinder 305 ist bestückt mit einem Roboter 350, der in die Prozesskammer eingebracht wird. Beispielhaft ist der Roboter 350 mit einem Scheibenwischer 355 als Werkzeug ausgestattet.
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4 zeigt einen Servicezylinder 405 mit einer Trägerplatte 400, einem Deckel 420 und Wänden 410. Der in 4 beispielhaft gezeigte Servicezylinder 405 dient dazu, ein Reinigungsmittel, im gezeigten Beispiel Isopropanol in einer Sprühflasche 460, zusammen mit einem Werkzeug, im gezeigten Beispiel einem Scheibenwischer 465, in die Prozesskammer einzubringen. Dort kann mithilfe dieser beiden Werkzeuge bzw. Mittel durch Eingriff in (nicht gezeigte) Handschuhe eine Reinigung zum Beispiel von optischen Komponenten durchgeführt werden.
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5 zeigt einen Servicezylinder 505 mit einer Trägerplatte 500, Wänden 510 und einem Deckel 520. Der in 5 beispielhaft gezeigte Servicezylinder 505 dient dazu, Mittel zum Messen von elektromagnetischer Strahlung in die Prozesskammer einzubringen. Beispielhaft sind in 5 gezeigt ein Mittel 575 zum Messen der Leistung eines elektromagnetischen Strahls sowie Mittel 570 zur räumlich aufgelösten Messung der Leistungsverteilung eines elektromagnetischen Strahls.
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6 zeigt wiederum einen Servicezylinder 605 mit einer Trägerplatte 600, einem Deckel 620 und Wänden 610. Der in 6 beispielhaft gezeigte Servicezylinder 605 dient dazu, eine Scanfeld-Korrektur-Platte 680 in die Prozesskammer einzubringen. Die in den Figuren gezeigten Beispiele für Servicezylinder und ihre Inhalte sind nur ein Ausschnitt aus der Fülle der Möglichkeiten, die durch die vorgeschlagenen Wechsel-Träger und Servicezylinder eröffnet werden.
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7 zeigt eine Mehrzahl von Anlagen 100, die nebeneinander angeordnet sind, und einen Pool von Zylindern, der sowohl Servicezylinder 710 als auch Bauzylinder 720 umfasst. Die Zylinder 710 und 720 befinden sich dabei in einer Parkposition in einer Rahmenstruktur 730. Die Rahmenstruktur 730 weist dafür Halterungen auf, mit denen die Servicezylinder 710 und die Bauzylinder 720 aufgenommen und dort - z.B. bis zum nächsten Einsatz in einer Anlage 100 - gelagert werden können. 7 zeigt (schematisch) ferner eine Transporteinrichtung 740, mit der die Zylinder 710, 720 von den Parkpositionen zu den Anlagen 100 zur additiven Fertigung verfahren werden können.
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Die Parkstation kann auch dazu genutzt werden, um fertiggestellte Werkstücke aus Bauzylindern 720 zu entnehmen, entleerte Bauzylinder mit Pulver zu füllen oder Servicezylinder mit neuen Reinigungsmaterialien oder Messwerkzeugen auszustatten oder zu bestücken.
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Die Anlagen 100 können parallel betrieben und mit den Zylindern 710, 720 des Pools in beliebiger Reihenfolge bestückt werden. Auf diese Weise können z.B. zwei der drei gezeigten Anlagen 100 ein Bauteil fertigen, während die dritte Anlage 100 mithilfe eines Servicezylinders 710 gewartet wird. Ein einzelner Servicezylinder kann demnach genutzt werden, um die Betriebsbereitschaft mehrerer Anlagen 100 aufrecht zu erhalten bzw. wiederherzustellen.
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Glossar
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Betriebsbereitschaft
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Unter Betriebsbereitschaft wird ein Zustand einer Anlage verstanden, in dem die Anlage ihren vorgesehenen Zweck erfüllen kann. Bei einer Anlage zur additiven Fertigung wäre dies beispielsweise ein Zustand, in dem mit der additiven Fertigung eines Werkstücks unmittelbar begonnen werden kann. Dies beinhaltet das Erreichen des gewünschten reproduzierbaren Qualitätslevels der Bauteilqualität durch u.a. eine ausreichende Reinheit und Justage der Anlage. Zu den Maßnahmen zum Aufrechterhalten der Betriebsbereitschaft zählen neben dem Reparieren, dem Warten und dem Justieren auch das Reinigen sowie das Re-Kalibrieren prozessrelevanter Sensorik in der Prozesskammer, beispielsweise von Strömungs- oder Temperatur-Sensoren oder Prozessüberwachungssystemen.
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Ersatzteile
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Im Sinne dieser Erfindung wird unter einem Ersatzteil nicht nur ein Ersatzteil im üblichen Sinne verstanden, sondern zum Beispiel auch Verbrauchsmaterial.
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granularer Rohstoff
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Zu den granularen Rohstoffen zählen insbesondere Pulver für pulverbettbasiertes Schmelzen und Sinterpulver, wobei der Energieeintrag für das Schmelzen oder Sintern durch elektromagnetische Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung, oder durch Elektronenstrahlen erfolgen kann. Ferner zählen zu den granularen Rohstoffen Kunststoffgranulate für einen Freistrahl-Bindemittelauftrag oder ähnliches.
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Prozesskammer
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Als Prozesskammer wird der Hohlraum bezeichnet, in dem der generative Fertigungsprozess abläuft. Die Prozesskammer dient u.a. der Aufrechterhaltung der Schutzgasatmosphäre und der Einbringung der elektromagnetischen Wellen. An der Oberfläche des granularen Rohstoffs und damit am unteren Ende der Prozesskammer findet die selektive Verfestigung und damit der schichtweise Aufbau eines Werkstücks statt. An dieser Stelle befindet sich die für den Träger in der Prozesskammer vorbestimmte Öffnung.
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Roboterarm
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Ein Roboterarm ist eine mehrachsige mechatronische Bewegungseinheit mit einem Werkzeug oder einer Greifvorrichtung an seinem freien bzw. beweglichen Ende. Ein Roboterarm kann ein vollautomatisch arbeitender z.B. 6-Achser mit Greifvorrichtung sein, aber auch - auf der weniger aufwändigen Seite - eine mehrachsige mechatronische Bewegungseinheit, die von einem Menschen von außerhalb der Prozesskammer gesteuert werden muss.
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Schleuse
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Eine Schleuse ist ein Raum, der zwischen zwei Räumen existiert und die spezifischen Zustände beider Räume annehmen kann.
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Träger
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In der additiven Fertigung trägt ein Träger typischerweise den granularen Rohstoff beim Herstellen eines Objektes. Alternativ oder zusätzlich kann auf dem Träger auch ein Bau-Träger (Substratplatte) montiert werden, wobei erst auf dem Bau-Träger ein granulärer Rohstoff zum Herstellen eines Objektes aufgebracht wird. Der Träger kann mit einem Bau- oder Wechselzylinder verbunden werden. Der Träger kann Dichtungen zu den Wänden des Zylinders aufweisen Erfindungsgemäß kann der Träger auch unterschiedliche Werkzeuge oder Ersatzteile in die Prozesskammer transportieren. Ferner kann der Träger Kopplungsstellen für die Transporteinrichtung aufweisen.
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Werkstückerzeugungssektion
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Unter der Werkstückerzeugungssektion einer Anlage zur additiven Fertigung werden die zentralen Komponenten für den Bau eines Werkstücks verstanden. Dazu zählt unter anderem die Optik und die Lichterzeugung, falls dieses zur Verfestigung dient, ein Träger für das Werkstück, die Prozesskammer, die Zufuhr für den granularen Rohstoff etc.
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Werkzeug
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Unter Werkzeug wird im vorliegenden Fall nicht nur ein Werkzeug gemäß dem üblichen Verständnis von Werkzeug verstanden, sondern auch Messinstrumente, Reinigungsgerätschaften oder -mittel, Gegenstände, die zur Wartung benötigt werden, o. ä.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Anlage zur additiven Fertigung
- 110
- optische Bank
- 120
- Prozesskammer
- 130
- Bau- / Servicezylinder
- 140
- Verschlusseinheit
- 160
- Wände
- 170
- Träger
- 180
- Hubsystem
- 190
- Hubstange
- 195
- Rahmenstruktur zum Austausch von Zylindern
- 200
- Träger
- 205
- Servicezylinder
- 210
- Wände
- 220
- Deckel
- 230
- Reinigungsmittel und -werkzeuge
- 240
- Halterungen, Transportsicherungen
- 300
- Träger
- 305
- Servicezylinder
- 310
- Wände
- 320
- Deckel
- 350
- Roboterarm
- 355
- Scheibenwischer
- 400
- Träger
- 405
- Servicezylinder
- 410
- Wände
- 420
- Deckel
- 460
- Sprühflasche
- 465
- Scheibenwischer
- 500
- Träger
- 505
- Servicezylinder
- 510
- Wände
- 520
- Deckel
- 570
- Räumlich auflösendes Messgerät
- 575
- Leistungsmessgerät
- 600
- Träger
- 605
- Servicezylinder
- 610
- Wände
- 620
- Deckel
- 680
- Scanfeld-Korrektur-Platte
- 710
- Servicezylinder in einer Parkposition
- 720
- Bauzylinder in einer Parkposition
- 730
- Parkstation zur Aufnahme und Lagerung von Zylindern
- 740
- Transporteinrichtung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202013009787 U1 [0003, 0018]
- EP 3263316 A1 [0003]
- EP 1793979 B1 [0004]
- DE 202014009347 U1 [0017]
- WO 2018/153687 A1 [0042]
