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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Strukturen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur additiven Fertigung dreidimensionaler Strukturen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
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Es existieren heutzutage verschiedene Vorrichtung und Verfahren, mittels derer basierend auf Konstruktionsdaten (z. B. CAD-Daten) dreidimensionale Strukturen, wie beispielsweise Modelle, Muster, Prototypen, Werkzeuge, Endprodukte und dergleichen, aus formlosen oder formneutralen Materialien wie Pulvern (ggf. unter Zusatz eines Bindemittels) oder Flüssigkeiten (was auch zeitweise aufgeschmolzene Feststoffe einschließt) hergestellt werden können. Diese Verfahren sind auch unter Sammelbegriffen wie „Rapid Prototyping“, „Rapid Manufacturing“ oder „Rapid Tooling“ bekannt. Oftmals findet hierbei in einer entsprechenden Fertigungsvorrichtung ein Urformungsschritt statt, bei dem das Ausgangsmaterial entweder von vornherein flüssig vorliegt oder zwischenzeitig verflüssigt wird und an vorgesehener Stelle aushärtet. Ein bekanntes Verfahren ist hierbei das sogenannte Schmelzbeschichten (Fused Filament Fabrication, FFF), bei dem ein Werkstück schichtweise aus thermoplastischem Kunststoff aufgebaut wird. Der Kunststoff wird zum Beispiel pulverförmig oder strangförmig zugeführt, aufgeschmolzen und in geschmolzener Form von einem Druckkopf appliziert, der nacheinander einzelne, in der Regel horizontale Schichten der herzustellenden Struktur aufträgt.
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Daneben sind Vorrichtung sowie Verfahren bekannt, bei denen ein pulverförmiger Stoff, zum Beispiel ein Kunststoff, schichtweise aufgetragen und selektiv mittels eines lokal aufgetragenen bzw. aufgedruckten Bindemittels ausgehärtet wird. Bei wiederum anderen Verfahren, wie beispielsweise dem selektiven Lasersintern (SLS), wird ein Pulver zum Beispiel mit Hilfe einer Rakel schichtweise auf eine Basisplatte aufgebracht. Das Pulver wird mittels einer geeigneten fokussierten Strahlung, zum Beispiel eines fokussierten Laserstrahls, selektiv erwärmt und dadurch gesintert. Nach dem Aufbau einer Schicht wird die Basisplatte geringfügig abgesenkt und eine neue Schicht aufgetragen. Als Pulver können hierbei Kunststoffe, Keramik oder Metalle eingesetzt werden. Das nicht-gesinterte Pulver muss nach dem Herstellungsprozess entfernt werden. Bei einem ähnlichen Verfahren, dem selektiven Laserschmelzen (SLM), ist die durch die Laserstrahlung in das Pulver eingetragene Energiemenge so hoch, dass das Pulver bereichsweise aufgeschmolzen wird und zu einem zusammenhängenden Festkörper erstarrt. Dieses Verfahren findet insbesondere bei metallischen Pulvern Anwendung.
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Vorstehend erwähnte Verfahren werden allgemein auch als generative oder additive Fertigungsverfahren bezeichnet.
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Aus der
US 2013/0056910 A1 sind eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur generativen Erzeugung dreidimensionaler Strukturen aus einem zu verfestigenden organo-polysiloxanhaltigem, flüssigem Material bekannt, wobei die Vorrichtung eine feststehende Laserquelle, wenigstens einen feststehenden Umlenkspiegel und eine Fokussieroptik aufweist. Der von der Laserquelle erzeugte Laserstrahl wird auf den Umlenkspiegel geführt, durch diesen aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt und nachfolgend der Fokussieroptik zugeführt, die den Laserstrahl an einem vorherbestimmbaren Ort im zu verfestigenden Material bündelt, um dieses an ebendiesem Ort auszuhärten und auf diese Weise die gewünschte dreidimensionale Struktur schichtweise aufzubauen. Zur Erhöhung der Fertigungseffizienz und Verkürzung von Produktionszeiten ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zwei hintereinander angeordnete Umlenkspiegel aufweist, wobei ausgehend von der Laserquelle der von dem Laserstrahl zuerst angestrahlte Umlenkspiegel ein teildurchlässiger Spiegel (auch als Teilerspiegel bezeichnet) ist, der den ursprünglichen Laserstrahl in zwei Laserteilstrahlen aufteilt, wobei der umgelenkte (reflektierte) erste Laserteilstrahl einer diesem zugeordneten ersten Fokussieroptik zugeführt wird und der den teildurchlässigen Umlenkspiegel passierende zweite Laserteilstrahl auf den zweiten Umlenkspiegel geführt wird, der diesen ebenfalls durch Ablenkung auf eine dem zweiten Laserteilstrahl zugeordnete zweite Fokussieroptik führt. Mittels der beiden Laserteilstrahlen sowie den diesen zugeordneten Fokussieroptiken können zeitgleich zwei identische dreidimensionale Strukturen in einem Arbeitsgang erstellt werden.
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Die
US 2017/0113303 A1 offenbart ebenfalls eine Vorrichtung zur generativen Erzeugung dreidimensionaler Strukturen aus einem zu verfestigenden, pulverförmigen Material, wobei ein von einer Laserquelle erzeugter Laserstrahl zunächst durch eine Strahlteileroptik in mehrere Laserteilstrahlen aufgeteilt wird, jeder dieser Teilstrahlen jeweils einer separaten Fokussieroptik zugeführt wird und die mehreren Laserteilstrahlen anschließend einem einzigen Galvanometer-Scanner zugeführt werden, der die Laserteilstrahlen schließlich zu unterschiedlichen Positionen im pulverförmigen Material lenkt, um dieses an den jeweiligen bestrahlten Orten zu schmelzen. Auf diese Weise können zeitgleich mehrere identische dreidimensionale Strukturen aufgebaut werden.
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Weitere Vorrichtungen zum selektiven Laserschmelzen, bei denen ein von einer Laserquelle erzeugter Laserstrahl in mehrere Laserteilstrahlen aufgeteilt wird, die anschließend jeweils separaten Scanneroptiken zugeführt werden, um die Laserteilstrahlen zu unterschiedlichen Positionen in einem zu verfestigenden Material zu lenken, zeigen jeweils die
CN 103949638 A und
CN 103071797 A .
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Der
US 2016/0303806 A1 ist weiterhin eine Vorrichtung zur generativen Erzeugung dreidimensionaler Strukturen aus einem zu verfestigenden Material zu entnehmen, bei der mehrere Laserstrahlen jeweils einer eigenen Scanneroptik zur Positionierung des jeweiligen Laserstrahls im zu verfestigenden Material zugeführt werden, um hierdurch eine dreidimensionale Struktur gleichzeitig mittels der mehreren Laserstrahlen zu erzeugen.
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Ferner beschreibt die
WO 2016/184888 A1 mehrere parallel betriebene Vorrichtungen zur generativen Erzeugung dreidimensionaler Strukturen aus einem zu verfestigenden Material, wobei die mehreren Vorrichtung mittels lediglich einer einzigen Laserquelle gespeist werden, wobei der von der Laserquelle erzeugte Laserstrahl durch eine Strahlteileroptik in mehrere Laserteilstrahlen aufgeteilt wird, die jeweils den entsprechenden Fertigungsvorrichtungen zugeführt werden.
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Der veröffentlichte Fachaufsatz „Multi-Laser Selective Laser Melting“ von Andreas Wiesner und Dieter Schwarze, 8th International Conference on Photonic Technologies LANE 2014, beschreibt ebenfalls eine Vorrichtung zur generativen Erzeugung dreidimensionaler Strukturen aus einem zu verfestigenden Material, wobei zur Produktivitätssteigerung mehrere Laserquellen mit mehreren, jeweils separat zugeordneten Scanneroptiken vorgeschlagen werden, die parallel und zeitgleich betrieben werden.
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Angesichts des aufgezeigten Stands der Technik bietet die additive Fertigung dreidimensionaler Strukturen aus einem zu verfestigenden Material durch ortsselektives Verfestigen desselben infolge lichtinduzierter chemischer und/oder physikalischer Prozesse im Material noch Raum für Verbesserungen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur additiven Fertigung dreidimensionaler Strukturen bereitzustellen, die sowohl eine zeiteffiziente als auch kostengünstige Fertigung der dreidimensionalen Strukturen ermöglichen und damit die Produktionseffizienz dieser Fertigung verbessern. Darüber hinaus sollen ebenso der Aufbau sowie die Herstellungskosten einer derartigen Fertigungsvorrichtung selbst zur Durchführen des Fertigungsverfahrens reduziert sein.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Es sei ferner angemerkt, dass eine nachstehend verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ hierin stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.
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Durch die Erfindung wird sowohl eine Vorrichtung als auch ein Verfahren zur additiven Fertigung dreidimensionaler Strukturen zur Verfügung gestellt. Die Vorrichtung sowie das Verfahren können dem Bereich des Rapid Prototyping bzw. des Rapid Manufacturing zugeordnet werden. Wie allerdings noch deutlich werden wird, sind sie nicht nur zur Fertigung von Prototypen bzw. einzelnen Modellen geeignet, sondern insbesondere auch zur effizienten Serienfertigung.
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Erfindungsgemäß weist eine Vorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Strukturen aus einem zu verfestigenden Material durch ortsselektives Verfestigen desselben infolge lichtinduzierter chemischer und/oder physikalischer Prozesse im Material wenigstens eine Laserquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls, eine Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserstrahls, um einen Laserfokus auszubilden, und eine Strahlteileroptik zur Aufteilung des Laserstrahls in wenigstens zwei Laserteilstrahlen auf.
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Als zu verfestigendes Material kann beispielsweise ein metallisches Pulver verwendet werden, wobei die Verfestigung des zunächst formlosen Metallpulvers zur additiven Formung der dreidimensionalen Struktur durch bereichsweises lichtinduziertes Aufschmelzen und anschließendes Erstarren des aufgeschmolzenen Materials erfolgen kann. Als metallisches Pulver wird hierbei jedes pulver- bzw. partikelförmige Material bezeichnet, das wenigstens ein Metall umfasst. Es kann sich auch um eine Legierung oder ein Gemisch aus Partikeln unterschiedlicher Metalle handeln. Das Pulver kann auch Halbmetalle oder Nichtmetalle enthalten, beispielsweise als Bestandteil einer Legierung. Als Metalle kommen u. a. Aluminium, Titan und Eisen infrage. Das auf diese Weise mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführte additive Fertigungsverfahren kann in diesem Fall als „selektives Laserschmelzen“ (SLM) bezeichnet werden.
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Es ist zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung eines metallhaltigen Materialpulvers beschränkt ist, sondern ganz allgemein für die Verwendung formloser (z. B. pulverförmiger oder flüssiger) oder formneutraler (z. B. band- oder drahtförmiger) Kunststoff- oder Keramikmaterialien geeignet ist, auch wenn im Folgenden überwiegend Bezug auf selektives Laserschmelzen mittels metallhaltiger Materialpulver genommen wird. Der eigentliche additive Fertigungsvorgang zum schichtweisen Aufbau einer dreidimensionalen Struktur aus einem zu verfestigenden Material durch lichtinduzierte chemische und/oder physikalische Prozesse ist an sich wohl bekannt, so dass an dieser Stelle auf eine detaillierte Beschreibung diesbezüglich verzichtet wird.
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Es sei lediglich angemerkt, dass der Laserstrahl bzw. die Laserteilstrahlen im Sinne einer zielgerichteten Fertigung gewöhnlich entsprechend eines bestimmten Musters ortsselektiv auf das zu verfestigende Material einwirkt bzw. einwirken, das heißt eine vorbestimmte Fläche (hierin auch als Aufbaufläche bezeichnet) bestrahlt wird. Hierbei erfolgt zum Beispiel ein Abtasten dieser Fläche durch den mittels der Fokussieroptik eng fokussieren Laser(teil)strahl, das heißt, der Laserfokus wird durch die Fokussieroptik derart eingestellt, dass dieser zur ortsselektiven Verfestigung des Materials im Wesentlichen in der Aufbaufläche liegt. Es sind verschiedene Abtastmuster denkbar, beispielsweise kann zunächst die Kontur einer Fläche abgefahren werden und danach ihr Inneres oder umgekehrt. Es versteht sich, dass das räumliche bzw. zeitliche Strahlungsmuster des Laserstrahls entsprechend vorgegebener Daten (z. B. CAD-/CAM-Daten) einer herzustellenden dreidimensionalen Struktur gesteuert werden können. Die bestrahlte Fläche entspricht hierbei einem (in aller Regel ebenen) Querschnitt der dreidimensionalen Struktur.
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Erfindungsgemäß sind die Laserquelle, die Fokussieroptik und die Strahlteileroptik der Vorrichtung derart angeordnet, dass der Laserstrahl ausgehend von der Laserquelle zuerst die Fokussieroptik und anschließend die Strahlteileroptik passiert und die durch die Strahlteileroptik erzeugten Laserteilstrahlen schließlich jeweils zu unterschiedlichen Orten auf das zu verfestigende Material gelenkt sind. Somit ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer einzigen Laserquelle die zeitgleiche Fertigung mehrerer dreidimensionaler Strukturen, wobei jeweils eine Struktur mittels eines Laserteilstrahls gefertigt wird. Insbesondere bei der Verwendung teurer Laserquellen, beispielsweise Faserlasern, lassen sich die Herstellungskosten für eine derartige Vorrichtung gegenüber Vorrichtungen, die mehrere Laserquellen aufweisen, erheblich senken. Ferner erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine deutliche Steigerung der Produktivität, da nun lediglich abhängig von der Anzahl der erzeugten Laserteilstrahlen mehrere dreidimensionale Strukturen parallel gefertigt werden können. Dies führt ferner zu einer deutlichen Reduzierung des Herstellungsstückpreises der dreidimensionalen Strukturen.
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Da die Fokussieroptik im Strahlengang des Laserstrahls ausgehend von der Laserquelle vor der Strahlteileroptik angeordnet ist, ist dementsprechend auch nur eine einzige Fokussieroptik zur Ausbildung des Laserfokus im Laserstrahl bzw. nach dem Passieren der Strahlteileroptik in den mehreren Laserteilstrahlen erforderlich, wodurch sich der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung vereinfachen sowie deren Herstellungskosten weiter verringern lassen.
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Bevorzugt ist die Strahlteileroptik derart eingerichtet und ausgebildet, dass sie Laserteilstrahlen mit jeweils gleicher Leistung erzeugt. Bei einer beispielsweisen Aufteilung des von der Laserquelle erzeugten Laserstrahls in zwei Laserteilstrahlen weisen beide Laserteilstrahlen dementsprechend bevorzugt 50 % der Leistung des ursprünglichen Gesamtlaserstrahls auf, bei einer beispielhaften Aufteilung in vier Laserteilstrahlen entsprechend jeweils 25 %.
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Es ist zu verstehen, dass die Ausgangsleistung der Laserquelle an die gewünschte bzw. erforderliche Leistung der einzelnen zur Fertigung der dreidimensionalen Strukturen verwendeten Laserteilstrahlen entsprechend anzupassen ist. Wenn zum Beispiel jeder Laserteilstrahl eine Leistung von 400 W aufweisen soll und die Strahlteileroptik eine Aufteilung des von der Laserquelle erzeugten Laserstrahls in zwei Laserteilstrahlen bewirkt, ist dementsprechend eine Laserquelle mit einer Ausgangsleistung von 800 W vorzusehen.
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Die räumliche Ausrichtung der Laserteilstrahlen zur Erzeugung des für die jeweilige Schicht gewünschten Abtastmusters in der Aufbaufläche der jeweiligen dreidimensionalen Struktur erfolgt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung in vorteilhafter Weise durch eine räumliche Ausrichtung des von der Laserquelle erzeugten Laserstrahls. Diese kann prinzipiell durch eine Bewegung der Laserquelle selbst bewirkt werden.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch eine Scanneroptik zur räumlichen Ablenkung des von der Laserquelle erzeugten Laserstrahls vorgesehen, wobei die Scanneroptik im Strahlengang des Laserstrahls zwischen der Laserquelle und der Fokussieroptik angeordnet ist. Das heißt, der von der Laserquelle erzeugte Laserstrahl passiert zuerst die Scanneroptik, um anschließend der Fokussieroptik und schließlich der Strahlteileroptik zugeführt zu werden. Die räumliche Ablenkung des Laserstrahls erfolgt hierbei derart, dass die gewünschte ortsselektive Verfestigung des zu verfestigenden Materials der augenblicklich herzustellenden Schicht der dreidimensionalen Struktur in der Aufbaufläche bewirkt wird. Die Laserquelle selbst kann somit feststehend angeordnet sein. Entsprechend der räumlichen Ausrichtung des Laserstrahls durch die Scanneroptik stellt sich aufgrund der Anordnung von Laserquelle, Fokussieroptik und Strahlteileroptik der erfindungsgemäßen Vorrichtung automatisch eine Ausrichtung aller Laserteilstrahlen ein, was den Aufbau der Vorrichtung deutlich vereinfacht und ihren Steuerungsaufwand erheblich reduziert, da einzig der von der Laserquelle erzeugte Laserstrahl durch eine einzige Scanneroptik manipuliert wird.
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Bevorzugt weist die Scanneroptik wenigstens ein bewegliches, insbesondere verkippbares, optisches Element, beispielsweise in Form eines optischen Prismas oder eines Spiegels, auf. Um eine Fläche, insbesondere die bereits erwähnte Aufbaufläche der zu fertigenden dreidimensionalen Struktur, abtasten zu können, ist es bevorzugt, dass die Scanneroptik wenigstens zwei bewegliche/verkippbare optische Elemente (z. B. Prismen und/oder Spiegel) aufweist, so dass der Laserstrahl sowohl in eine erste X-Raumrichtung als auch in eine zweite Y-Raumrichtung ablenkbar ist.
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Um den Laserfokus trotz der räumlichen Ablenkung des Laserstrahls durch die Scanneroptik im Wesentlichen stets genau und konstant in der Aufbaufläche der dreidimensionalen Struktur, das heißt im Hinblick auf eine dritte Z-Raumrichtung, zu halten, ist die Fokussieroptik bevorzugt als so genannte und an sich bekannte f-Theta-Optik bzw. als f-Theta-Objektiv ausgeführt. Diese ist speziell auf die Laserquelle und die spezifische Wellenlänge des von ihr erzeugten Laserstrahls abgestimmt. Die Fokussieroptik kann an der erfindungsgemäßen Vorrichtung feststehend angeordnet sein.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Strahlteileroptik wenigstens ein teildurchlässiges optisches Element, zum Beispiel in Form eines optischen Teilerprismas oder Teilerspiegels, zur Aufteilung des Laserstrahls in wenigstens zwei Laserteilstrahlen aufweist. Hierdurch lässt sich eine Strahlaufteilung des Laserstrahls im Sinne der vorliegenden Erfindung auf baulich einfache und kostengünstige Weise realisieren, da das teildurchlässige optische Element den einfallenden Laserstrahl teilweise reflektiert und den anderen Teil transmittiert.
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Des Weiteren kann die Strahlteileroptik gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wenigstens ein optisches Ablenkelement, beispielsweise in Form eines feststehenden optischen Prismas oder eines feststehenden Ablenkspiegels, zur wenigstens einmaligen Richtungsänderung wenigstens eines der Laserteilstrahlen aufweisen. Das wenigstens eine optische Ablenkelement ist bezüglich des Strahlengangs des Laserstrahls hinter dem teildurchlässigen optischen Element angeordnet. Somit lassen sich die Strahlengänge der Laserteilstrahlen nach der Aufteilung durch das wenigstens eine teildurchlässige optische Element derart zueinander ausrichten (z. B. bezüglich ihres räumlichen Abstands zueinander), dass sich die von jedem Laserteilstrahl zur Fertigung der dreidimensionalen Struktur beanspruchten Fertigungsweiten einerseits nicht überlappen und sich andererseits die dreidimensionalen Strukturen dennoch in vorteilhafter Weise kompakt anordnen lassen, um eine besonders bauraumsparende erfindungsgemäße Vorrichtung auszubilden.
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Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das wenigstens eine optische Ablenkelement derart angeordnet und ausgerichtet, dass alle durch die Strahlteileroptik erzeugten Laserteilstrahlen dieselbe Wegstrecke ausgehend von dem teildurchlässigen optischen Element bis zum Auftreffen auf das zu verfestigende Material, das heißt bis zur Aufbaufläche der jeweiligen zu verfestigenden Schicht der dreidimensionalen Struktur, zurücklegen. Da die Aufteilung des in die Strahlteileroptik einfallenden Laserstrahls mittels des teildurchlässigen optischen Elements zu unterschiedlichen Weglängen der geteilten Laserteilstrahlen ausgehend von dem teildurchlässigen optischen Element bis zum Verfestigungsort des zu verfestigenden Materials, das heißt bis zur Aufbaufläche der jeweils zu erzeugenden Schicht der dreidimensionalen Struktur, und damit zu einer Verschiebung des Laserfokus eines oder mehrerer Laserteilstrahlen aus der Aufbaufläche heraus führen kann, lässt sich mit Hilfe des bzw. der zusätzlich vorgesehenen optischen Ablenkelemente eine identische Wegstrecke aller Laserteilstrahlen und damit eine exakte Lage jedes Laserfokus je Laserteilstrahl innerhalb der Aufbaufläche der zu fertigenden dreidimensionalen Struktur sicherstellen. Hierdurch wird nicht zuletzt die Qualität der zu fertigenden dreidimensionalen Struktur erhöht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur additiven Fertigung dreidimensionaler Strukturen aus einem zu verfestigenden Material durch ortsselektives Verfestigen desselben infolge lichtinduzierter chemischer und/oder physikalischer Prozesse im Material offenbart, wobei das Material mittels eines durch eine Laserquelle erzeugten Laserstrahls bestrahlt wird, der Laserstrahl ausgehend von der Laserquelle zuerst einer Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserstrahls zugeführt wird, um einen Laserfokus auszubilden, und anschließend durch eine Strahlteileroptik zur Aufteilung des Laserstrahls in wenigstens zwei Laserteilstrahlen geführt wird, die schließlich jeweils zu unterschiedlichen Orten auf das zu verfestigende Material gelenkt werden.
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Bezüglich verfahrensbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile verfahrensgemäßer Merkmale wird auf die vorstehenden Erläuterungen sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile hinsichtlich der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen. Offenbarungen hierin bezüglich der erfindungsgemäßen Vorrichtung sollen in sinngemäßer Weise auch zur Definition des erfindungsgemäßen Verfahrens herangezogen werden können, sofern dies hierin nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Ebenso sollen Offenbarungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens in sinngemäßer Weise zur Definition der erfindungsgemäßen Vorrichtung herangezogen werden können, sofern dies hierin nicht ebenfalls ausdrücklich ausgeschlossen ist. Insofern wird hierin auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile im Hinblick auf die hierin offenbarte erfindungsgemäße Vorrichtung und das hierin offenbarte erfindungsgemäße Verfahren zugunsten einer kompakteren Beschreibung verzichtet.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Laserstrahl mittels einer Scanneroptik, die im Strahlengang des Laserstrahls zwischen der Laserquelle und der Fokussieroptik angeordnet ist, räumlich abgelenkt wird.
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Des Weiteren wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der der Strahlteileroptik zugeführte Laserstrahl mittels wenigstens eines teildurchlässigen optischen Elements in wenigstens zwei Laserteilstrahlen aufgeteilt.
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Eine noch weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens einer der durch die Strahlteileroptik erzeugten Laserteilstrahlen mittels wenigstens eines optischen Ablenkelements wenigstens einmal in seiner Richtung umgelenkt wird, bevor er auf das zu verfestigende Material auftrifft.
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In einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es bevorzugt, dass wenigstens einer der Laserteilstrahlen derart wenigstens einmal in seiner Richtung umgelenkt wird, dass alle durch die Strahlteileroptik erzeugten Laserteilstrahlen dieselbe Wegstrecke ausgehend vom wenigstens einen teildurchlässigen optischen Element bis zum Auftreffen auf das zu verfestigende Material zurücklegen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:
- 1 eine Seitenquerschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
- 2 eine Seitenansicht eines Teils der Vorrichtung aus 1,
- 3 eine isometrische Ansicht des Teils aus 2,
- 4 eine isometrische Ansicht eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der Erfindung und
- 5 eine isometrische Ansicht eines Teils eines noch weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 stellt schematisch eine Seitenquerschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung dar. Die Vorrichtung 1 dient der additiven Fertigung dreidimensionaler Strukturen 2 (in dem hier gezeigten Beispiel einer ersten und einer zweiten separaten, jedoch identischen Struktur 2) aus einem zu verfestigenden Material 3 durch ortsselektives Verfestigen desselben infolge lichtinduzierter chemischer und/oder physikalischer Prozesse im Material 3. Bei dem zu verfestigenden Material 3 handelt es sich bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel um metallhaltiges Materialpulver.
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Wie 1 weiter zu entnehmen ist, weist die Vorrichtung 1 eine Laserquelle 4, beispielsweise einen Faserlaser, zur Erzeugung eines Laserstrahls 5, insbesondere eines im Wesentlichen nicht fokussierten Laserstrahls 5, eine Fokussieroptik 6, beispielsweise eine f-Theta-Optik, zur Fokussierung des Laserstrahls 5, um einen Laserfokus 7 auszubilden, und eine Strahlteileroptik 8 zur Aufteilung des Laserstrahls 5 in wenigstens zwei Laserteilstrahlen 9 auf. Hierbei sind die Laserquelle 4, die Fokussieroptik 6 und die Strahlteileroptik 8 bei der Vorrichtung 1 derart angeordnet, dass der Laserstrahl 5 ausgehend von der Laserquelle 4 zuerst die Fokussieroptik 6 und anschließend die Strahlteileroptik 8 passiert und die Laserteilstrahlen 9 schließlich jeweils zu unterschiedlichen Orten auf das zu verfestigende Material 3 gelenkt sind.
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Die Lage des Laserfokus 7 des Laserstrahls 5 bzw. der jeweiligen Lasersteilstrahlen 9 kann beispielsweise durch die Fokussieroptik 6 ausgehend von dieser auf eine Wegstrecke von etwa 70 cm eingestellt sein. Andere Abstände sind aber ebenfalls möglich.
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Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 weist ferner eine Scanneroptik 10 zur räumlichen Ablenkung des Laserstrahls 5 auf, wobei die Scanneroptik 10 im Strahlengang des Laserstrahls 5 zwischen der Laserquelle 4 und der Fokussieroptik 6 angeordnet ist. Wie in 1 dargestellt ist, weist die Scanneroptik 10 zwei um unterschiedliche Raumachsen, zum Beispiel um eine X-Raumachse und um eine zur X- und Z-Raumachse senkrecht angeordnete Y-Raumachse (dargestellt z. B. in 3), verkippbare Spiegel 11 und 12 auf. Somit ist der Laserstrahl 5 sowohl in der ersten X-Raumrichtung als auch in der zweiten Y-Raumrichtung ablenkbar, so dass eine zweidimensionale Abtastung einer Aufbaufläche 13 der dreidimensionalen Struktur 2 in X- und Y-Raumrichtung der in 1 gezeigten Vorrichtung 1 möglich ist. Eine Abtastweite 14 der jeweiligen Laserteilstrahlen 9 in X-Raumrichtung ist in 1 ebenfalls dargestellt.
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Weiter ist 1 zu entnehmen, dass die Strahlteileroptik 8 ein teildurchlässiges optisches Element 15, zum Beispiel einen feststehenden Teilerspiegel oder ein feststehendes optisches Teilerprisma, zur Aufteilung des Laserstrahls 5 in die beiden Laserteilstrahlen 9 aufweist. Ferner weist die Strahlteileroptik 8 insgesamt drei weitere optische Ablenkelemente 16 und 17, beispielsweise in Form feststehender Ablenkspiegel oder feststehender optischer Prismen, zur wenigstens einmaligen Richtungsänderung der jeweiligen Laserteilstrahlen 9 auf. Wie zu erkennen ist, lenkt der Ablenkspiegel 16 den vom teildurchlässigen optischen Element 15 reflektierten (in 1 linken) Laserteilstrahl 9 in Richtung Aufbaufläche 13 der zu fertigenden dreidimensionalen ersten Struktur 2. Die beiden Ablenkspiegel 17 lenken den vom teildurchlässigen optischen Element 15 transmittierten (in 1 rechten) Laserteilstrahl 9 zu der durch diesen Laserteilstrahl 9 zu fertigenden dreidimensionalen zweiten Struktur 2. Die Ablenkspiegel 16 und 17 dienen sowohl der Ausrichtung der jeweiligen Laserteilstrahlen 9 auf die jeweilige Aufbaufläche 13 der zu erzeugenden Struktur 2 als auch einer bestimmten beabstandeten Anordnung der beiden Laserteilstrahlen 9 zueinander, so dass sich die Aufbauflächen 13 der beiden separaten, herzustellenden Strukturen 2 nicht überlappen. Darüber hinaus dienen die beiden Ablenkspiegel 17 ebenfalls dazu, die Wegstrecke des in 1 rechten Laserteilstrahls 9 an die Wegstrecke des in 1 linken Laserteilstrahls 9 anzupassen, so dass beide Laserteilstrahlen 9 exakt dieselbe Wegstrecke ausgehend vom teildurchlässigen optischen Element 15 bis zum Auftreffen auf das zu verfestigende Material 3 zurücklegen. Hierdurch wird gewährleistet, dass sich der durch die Fokussieroptik 6 eingestellte Laserfokus 7 beider Laserteilstrahlen 9 genau in der Aufbaufläche 13 der Strukturen 2 befindet, um dort das zu verfestigende Material 3, hier das metallhaltige Pulver, ortsselektiv aufzuschmelzen und anschließend erstarren zu lassen, um auf diese Weise eine Schicht der beiden gleichzeitig zu fertigenden dreidimensionalen Strukturen 2 mittels des jeweiligen Laserteilstrahls 9 herzustellen.
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Bei der in 1 dargestellten Vorrichtung 1 ist ein Fertigungsraum 18, in dem die mehreren dreidimensionalen Strukturen 2 hergestellt werden, im Wesentlichen durch eine entsprechende Einhausung 19 hermetisch von der Umgebung abgeschlossen. Die Laserquelle 4, die Scanneroptik 10 und die Fokussieroptik 6 sind außerhalb dieses Fertigungsraums 18 angeordnet, die Strahlteileroptik 8 innerhalb. Diese Anordnung ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
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Wie in 1 zu erkennen ist, wird der durch die Scanneroptik 10 abgelenkte und von der Fokussieroptik 6 fokussierte Laserstrahl 5 nach dem Passieren der Fokussieroptik 6 durch ein entsprechend ausgebildetes optisches Fenster 20, das den Laserstrahl 5 im Wesentlichen ungehindert und unverändert passieren lässt, in den Fertigungsraum 18 eingestrahlt, wo er auf die Strahlteileroptik 8 trifft.
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Die hermetische Versiegelung des Fertigungsraumes 18 wird bei der in 1 dargestellten Vorrichtung dazu genutzt, den Raum 18 während der Fertigung der dreidimensionalen Strukturen 2 mit einer Inertgas-Atmosphäre oder einer mit Inertgas 21 angereicherten Atmosphäre zu versehen, die gegenüber herkömmlicher Luft einen deutlich verringerten Sauerstoffgehalt aufweist, wodurch eine Oxidation oder gar eine Verbrennung bzw. Explosion des metallischen Pulvers 3 verhindert werden kann. Das Inertgas 21 wird bei der Vorrichtung 1 mittels einer Pump- und Inertgasfiltervorrichtung 22 kontinuierlich durch den Fertigungsraum 18 umgewälzt.
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Insgesamt lässt sich durch diese Maßnahmen die Betriebssicherheit der Vorrichtung 1 sowie die Qualität der gefertigten Strukturen 2 verbessern.
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Des Weiteren ist 1 zu entnehmen, dass das pulverförmige Material 3 aus einem Vorratsbereich 23 beispielsweise mittels einer Rakel 24 oder Klinge oder ähnlichem schichtweise aus dem Vorratsbereich 23 in einen Fertigungsbereich 25, in dem die dreidimensionalen Strukturen 2 in bekannter Weise schichtweise in der Aufbaufläche 13 aufgebaut werden, überführt und im Fertigungsbereich 25 geglättet wird. Überschüssiges Material 3 kann hierbei in einem Auffangbereich 26 aufgenommen und bis zu einer späteren Verwendung gelagert werden.
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Nach dem Aufbau einer Schicht der beiden in 1 gezeigten dreidimensionalen Strukturen 2 wird eine Basisplatte 27, auf der die Strukturen 2 aufgebaut werden, im Wesentlichen um die Dicke der zuvor gefertigten Schicht nach unten abgesenkt, wie in 1 dargestellt ist. Die Schichtdicken können beispielsweise zwischen 10 µm und 500 µm betragen. Es sind allerdings auch andere Schichtdicken denkbar. Zum Nachfördern weiteren Materials 3 aus dem Vorratsbereich 23 kann eine Bodenplatte 28 des Vorratsbereichs 23 entsprechend angehoben werden, wie ebenfalls in 1 dargestellt ist, um neues Material 3 mit Hilfe der Rakel 24 zum Aufbau einer nächsten Schicht in der Aufbaufläche 13 der dreidimensionalen Strukturen 2 anzuordnen.
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2 stellt eine Seitenansicht eines Teils der Vorrichtung 1 aus 1 dar. Insbesondere beinhaltet die Darstellung der 2 die Fokussieroptik 6, die Strahlteileroptik 8 einschließlich des teildurchlässigen optischen Elements 15 und der Ablenkspiegel 16, 17 sowie den Fertigungsbereich 25, indem die beiden dreidimensionalen Strukturen 2 durch die beiden Laserteilstrahlen 9 jeweils schichtweise in der Aufbaufläche 13 gebildet werden.
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3 stellt eine isometrische Ansicht des Teils aus 2 dar.
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4 stellt eine isometrische Ansicht eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels einer in 4 nicht näher gezeigten Vorrichtung gemäß der Erfindung dar. Der in 4 dargestellte Teil der Vorrichtung unterscheidet sich von dem in 3 dargestellten Teil der Vorrichtung 1 aus 1 im Wesentlichen lediglich darin, dass eine Strahlteileroptik 29 in 4 neben dem teildurchlässigen optischen Element 15 und dem Ablenkspiegel 16 sowie den beiden Ablenkspiegeln 17 noch zwei weitere teildurchlässige optische Elemente 30, beispielsweise jeweils in Form eines feststehenden optischen Teilerprismas oder eines feststehenden Teilerspiegels, und weitere optische Ablenkelemente 31, 32, beispielsweise jeweils in Form eines feststehenden optischen Prismas oder eines feststehenden Ablenkspiegels, aufweist, so dass die beiden Laserteilstrahlen 9 jeweils in zwei weitere Laserteilstrahlen 33, dementsprechend also insgesamt vier Laserteilstrahlen 33, geteilt und wegstreckenidentisch bis zu den zu fertigenden dreidimensionalen Strukturen 2 geleitet werden.
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Mit der in 4 gezeigten Ausgestaltung der Strahlteileroptik 29 lassen sich gleichzeitig insgesamt vier dreidimensionale Strukturen 2 fertigen. Wie in 4 zu erkennen ist, sind diese linear in einer Reihe angeordnet (linienförmige 4x1-Anordnung).
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5 stellt eine isometrische Ansicht eines Teils eines noch weiteren Ausführungsbeispiels einer nicht näher gezeigten Vorrichtung gemäß der Erfindung dar. Wie zu erkennen ist, sind, wie in 4 bereits gezeigt, mit Hilfe dieser Vorrichtung gleichzeitig vier dreidimensionale Strukturen 2 herstellbar, wobei die Strukturen 2 in 5 gegenüber den Strukturen 2 in 4 in einer kompakteren matrixförmigen 2x2-Anordnung angeordnet sind. Diese lässt sich beispielsweise aus der Strahlteileroptik 29 der 4 gewinnen, indem in baulich einfacher Weise die beiden teildurchlässigen optischen Elemente 30 um 90° um ihre Hoch- bzw. Z-Raumachse gedreht angeordnet werden, wobei die entsprechenden optischen Ablenkelemente 31, auf die der an den teildurchlässigen optischen Elementen 30 reflektierte Laserteilstrahl 33 fällt, ebenfalls entsprechend um 90° um die Z-Raumachse verschwenkt anzuordnen sind. Die jeweiligen optischen Ablenkelemente 32, auf die der an den teildurchlässigen optischen Elementen 30 transmittierte Laserteilstrahl 33 fällt, können ebenfalls um 90° um ihre Hoch- bzw. Z-Raumachse gedreht angeordnet werden (hier jedoch in entgegengesetzter Richtung zu den teildurchlässigen Elementen 30) und entsprechend ebenso die diesen nachgelagerten optischen Ablenkelemente 32 um 90° um die Z-Raumachse verschwenkt angeordnet werden, so dass sich insgesamt die in 5 dargestellte kompakte matrixförmige 2x2-Anordnung der Strukturen 2 ergibt.
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Die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur additiven Fertigung dreidimensionaler Strukturen aus einem zu verfestigenden Material durch ortsselektives Verfestigen desselben infolge lichtinduzierter chemischer und/oder physikalischer Prozesse im Material sind nicht auf die hierin offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen jeweils auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale der Vorrichtung bzw. des Verfahrens ergeben.
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In bevorzugter Ausführung werden die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur additiven Fertigung dreidimensionaler Strukturen aus einem zu verfestigenden Material durch ortsselektives Verfestigen desselben infolge lichtinduzierter chemischer und/oder physikalischer Prozesse im Material verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Dreidimensionale Struktur
- 3
- Zu verfestigendes Material
- 4
- Laserquelle
- 5
- Laserstrahl
- 6
- Fokussieroptik
- 7
- Laserfokus
- 8
- Strahlteileroptik
- 9
- Laserteilstrahl
- 10
- Scanneroptik
- 11
- Erster verkippbarer Spiegel
- 12
- Zweiter verkippbarer Spiegel
- 13
- Aufbaufläche
- 14
- Abtastweite
- 15
- Teildurchlässiges optisches Element
- 16
- Optisches Ablenkelement
- 17
- Optisches Ablenkelement
- 18
- Fertigungsraum
- 19
- Einhausung
- 20
- Optisches Fenster
- 21
- Inertgas
- 22
- Pumpe und Inertgasfilter
- 23
- Vorratsbereich
- 24
- Rakel
- 25
- Fertigungsbereich
- 26
- Auffangbereich
- 27
- Basisplatte
- 28
- Bodenplatte
- 29
- Strahlteileroptik
- 30
- Teildurchlässiges optisches Element
- 31
- Optisches Ablenkelement
- 32
- Optisches Ablenkelement
- 33
- Laserteilstrahl
- X
- Erste Raumrichtung/Raumachse
- Y
- Zweite Raumrichtung/Raumachse
- Z
- Dritte Raumrichtung/Raumachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0056910 A1 [0005]
- US 2017/0113303 A1 [0006]
- CN 103949638 A [0007]
- CN 103071797 A [0007]
- US 2016/0303806 A1 [0008]
- WO 2016/184888 A1 [0009]