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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte mittels einer drehbaren Durchsatz- und Form-variablen Düse, hochviskosen einfärbbaren Harzes und Decken-installierten Roboterarms zwecks möglichst senkrechten Drucks relativ zur zuvor erstellten Bahn, unabhängig von festen Schichthöhen, und -breiten. Die Vorrichtung zeigt ein kastenloses Design, dessen Skalierbarkeit kaum begrenzt wird und das lebensgrosse, nahezu vollfarbige Objekte bisher kaum druckbarer Grösse sowohl extrem schnell wie auch detailgetreu erstellen kann.
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Stand der Technik
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Die Bauvolumina wie auch die Herstellungsverfahren werden im 3D Druck immer vielfältiger: Auf der einen Seite können Nanodrucker Objekte im Mikrometerbereich erstellen (zB Nanoscribe), auf der anderen Seite schaffen Grossformatdrucker heutzutage bereits 8 m3 (Voxeljet). Es wird gesintert, polymerisiert, geschnitten, geschmolzen, usw.
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Die Anforderungskombination von glatten Oberflächen, grossem Volumen, Materialeigenschaften ohne weitere Verarbeitungsvorgänge, und das alles bei vertretbaren Kosten, erschwert jedoch die Wahl der Druckmethode.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht im Aufzeigen eines Verfahrens zur Herstellung sehr grosser eingefärbter Objekte (zB 8–20 m3). So soll der Druck bspw einer lebensgrossen Limousine über Nacht ermöglicht werden. Ebenso sollen Dekorationsstücke individuell erstellbar sein, bspw ein lebensgrosser Elefant, in einem Stück, in wenigen Stunden, mit selbsttragender Struktur und aus einem Material, das nachbearbeitbar aber auch ohne weitere Prozesse direkt einsetzbar ist. Ein weiterer Schwerpunkt könnte der Druck lebensgrosser Abbilder von Menschen sein. Als Druckmethoden kommen hier bspw. FDM, Harzpolymerisation und Kunststoffsinterung in Frage. Allerdings soll das gesinterte Objekt ob seiner Grösse nicht im Ofen nachbehandelt werden müssen. Auch die geforderte Schichtdicke zur schnellen Herstellung wäre problematisch, und eine Pulverabsaugung wäre ebenso schwierig wie die Herstellung eines Rahmens, der das Tonnen-schwere Pulver während des Druckvorgangs halten müsste. FDM hätte das Problem der Drahtaufschmelzung (Gasentwicklung) und eventueller Formgebung des geschmolzenen Plastiks bei der Aufbringung, und der Druck würde sehr lange dauern. Das Ausgangsmaterial soll möglichst kalt formbar sein, weitgehend ungefährlich, schnell aufbringbar und schnell härtbar; es soll preiswert herstellbar sein, der Elefant (evtl 2.5 × 2 × 3.5 m, Fläche bspw. 40 m2, ca 200 Kg Druckmaterial) soll keine 20000 € kosten. Der Druck von 200 Kg Material soll in weniger als 12 h mit ca 500 Schichten erfolgen. Andererseits sollen bspw. die Stosszähne viel präziser gedruckt werden, zb mit 500 μm Schichtdicke. Bei 12 KM angenommener gesamter Bahnlänge betrüge die Materialaufbringgeschwindigkeit ca 30 cm/Sekunde. Die Geschwindigkeit hinge nun noch von der Materialhärtezeit sowie von der Fahrgeschwindigkeit des Druckkopfes ab.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Ansprüchen 1 bis 4 gelöst.
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Beim dem Verfahren ist vorgesehen, dass eine Dosierpumpe das hochviskose Harz aus dem Grosstank durch einen Schlauch zum computergesteuerten Ventil am Druckkopf pumpt um mittels der Fahrgeschwindigkeit der Roboterarms und des Pumpdrucks die Form des abgelegten Harzstreifens bestimmen zu können. Diese Formgebung wird weiter unterstützt, indem der drehbare Druckkopf die Harzbahn mittels variabler Wände (Kellen) glättet, an die darunterliegende Kontur anpasst und der gelegten Bahn die gewünschte Form gibt. Somit sind zB schmale hohe Bahnen möglich, aber auch schmale flache, dicke hohe und dicke flache, je nachdem welche Wanddicke das Objekt mit welcher Detailgenauigkeit benötigt. Vorzugsweise wird ein Laser eingesetzt um die Bahn zu härten. Die Schichterstellung ist also nicht nur vom Pumpdruck, der Bahnhöhe und Bahnbreite sowie von der Roboterarmfahrgeschwindigkeit abhängig, sondern insbesondere von der Aushärtezeit der jeweiligen Bahnform (die wiederum von der Durchfärbung des Harzes abhängt). Das TPE- oder Silikon-Dosierventil (zB bekannt aus Ketchup-Flaschen, oder besser Entenschnabel) hat vorzugsweise eine ovale Austrittsform und erlaubt bei drehbarem Druckkopf dicke wie dünne Bahnen. Die seitliche Bahnformgebung kann auch mittels Silikon-ähnlicher Stützwände erfolgen, die sich hochbiegen, wenn eine Bahn neben einer anderen erstellt werden soll. Wichtiger ist jedoch, dass das ausgedrückte Harz auf eine Unterlage stösst. Dies ist bei Roboterarmen zumeist gegeben, wenn das Ventil des Druckkopfes derartig gedreht wird, dass es möglichst perpendikular zur zuvor gelegten Bahn fährt. Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung ist vorgesehen, dass vorzugsweise ein Roboterarm an vorzugsweise der Decke montiert wird. Sollen langgezogene Objektdrucke erzielt werden (Säulen, Yachten, Hochhäuser, etc.), so ist der Roboterarm unter einen Linearantrieb montierbar. Die Tragkraft liegt bei unter 1 Kg. Der Schlauch ist 8 m lang und trägt ca 500 gr Harz. Die Fliessgeschwindigkeit liegt bei ca 30 cm/s, der Druck bei unter 100 bar. Die Zahnradpumpe fördert bis zu 1 L/Minute. Der Bewegungsradius des eingesetzten Roboterarms erlaubt ein kreisrundes Bauvolumen von 3 m Durchmesser, bei einer Deckeninstallation im Standardgebäude (2,5 m Raumhöhe) ist eine Objekthöhe von 2 m möglich, das zylindrische Bauvolumen beträgt somit ca 14 m3.
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Zwecks Nutzung der Kellen ist darauf zu achten, dass genügend Lichtenergie in das Harz zwischen den Kellen geführt wird, sodass das Grünstadium eine Formmodellierung zulässt, aber keine Verklebung der Kellen erfolgt. Bei Einfärbung des Harzes kommt ein weiterer Parameter hinzu, die Lichtenergie muss nun der Druckgeschwindigkeit, der Bahnform und der Lichtdurchdringbarkeit der jeweiligen Farbe angepasst werden. Die Farbmischung beginnt mit den computergesteuerten Dosierventilen der Farbkanäle unmittelbar am Druckkopf am Nadeleinlass. Die Farbe wird mittig des Schnabelventils eingespritzt. Das Harz wird nicht völlig eingefärbt und bleibt durchleuchtbar. Der Farbtransport durch ca 8 m lange Schläuche ist zwar lang, aber das Gesamtvolumen beträgt bei 2 mm Schlauchdurchmesser nur 25 ml. Das Gesamtgewicht aller Dosierventile inkl gefüllter Schläuche liegt bei unter 0,5–1 Kg Traglast am Druckkopf.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung werden die Nachteile des Stands der Technik eliminiert und die folgenden Vorteile erzielt:
- 1. Der Roboterarm arbeitet ohne fahrenden, wackelnden x/y Tisch, wird bereits massenhaft produziert und ist sehr erprobt. Der Drucker benötigt aus mechanischen Gründen keinen Kasten und keine Wände.
- 2. Die Mechanik, die Baufläche, ist skalierbar auf über 100 m3
- 3. Die variablen Bahnformen erlauben präzisen oder schnellen Druck
- 4. Der drehbare formgebende Druckkopf erlaubt variable Bahnformen
- 5. Die Farbmischanlage erlaubt Vollfarbdruck, sein Bahnformdruck – meist perpendikular zur zuvor verlegten Bahn – sorgt für gute Haftung und geringe Oberflächenrauhigkeit
- 6. Kein Drucker kann derzeit in so kurzer Zeit derartig grosse Kunststoffobjekte mit variabler Auflösung drucken.
- 7. Ein Linearantrieb zwischen Decke und Roboterarm bzw. ein Drucktisch unter dem Objekt ermöglicht Objektdruckgrössen, die über die Roboterarmlänge hinausgehen. Dies ist insbesondere bei langgezogenen Objekten sinnvoll (Säulen, Yachten, Hochhäuser)
- 8. Der Druck erfolgt ohne feststehende Z-Schichtung wie heutzutage zumeist noch üblich. Die allseitige Druckkopfrotation erlaubt mittels steuerbarer Massendurchsätze weithin variable Bahnquerschnitte, die nicht mehr aus der Vertikalen gespritzt werden müssen.
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Beschreibung der Erfindung: Grundsätzlicher Aufbau mit wesentlichen erfindungsgemäßen Merkmalen
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Ein Roboterarm erlaubt ein kastenloses Design. Der Druckkopf ist 360° drehbar. Das drehbare Schnabelventil ermöglicht einen Öffnungsdurchmesser kleiner 500 μm wie auch eine ovale Öffnung mit einer Breite von bspw. 10 mm. Somit kann je nach Härtungszeit und Massendurchsatz eine feine Kontur für hohe Detailtreue oder eine Wand von bspw 20 mm Höhe und 10 mm Breite pro Bahn erzeugt werden. Dies erlaubt eine bisher unerreichte Objekterstellungszeit. Die Oberfläche der aufgebrachten Bahn kann vom silikonartigen Schnabelstück nivelliert werden, die Seiten können der Wand mittels absenkbarer Silikonkellen angepasst werden, sodass keine „Blockhausstruktur” entsteht, sondern die Bahnen vertikal ineinander übergehen. Die Kellen führen unter dem Schnabel oder laufen dem Schnabel vorzugsweise unmittelbar nach und erlauben die Formgebung auch für Folgeschichten, bspw. dergestalt, dass Seiten nach oben leicht hochgezogen werden um der Folgeschicht besseren Halt zu geben. Eine Kelle pro Seite kann seitlich wie vertikal einzeln gesteuert werden. Wichtiger ist jedoch, dass das ausgedrückte Harz auf eine Unterlage stösst. Dies ist bei Roboterarmen zumeist gegeben, wenn das Ventil des Druckkopfes derartig gedreht wird, dass es möglichst perpendikular zur zuvor gelegten Bahn fährt.
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Das Lasermodul läuft wiederum dem Kellenmodul nach und härtet mit flexiblem Fokus, d. h., die elektronische Linse kann den Fokus derartig steuern, dass die Strahlbreite der Bahnbreite angepasst ist, die Intensität der Druckgeschwindigkeit. Dies erlaubt natürlich wesentlich höhere Bahngeschwindigkeiten bei kleinem Bahndurchmesser.
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Beschreibung der Zeichnungen und der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und nicht einschränkend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1: Darstellung des Verfahrens zum grossvolumigen Harzdruck mittels Roboterarms
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2: Darstellung des Verfahrens zur Erstellung grössen- formvariabler Harzbahnen
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3a–c: Darstellung des Verfahrens zur Rotation des Druckkopfes zwecks Härtung der unmittelbar zuvor gelegten Bahn
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4a–d: Darstellung der Vorrichtung zur Erstellung grössen- und formvariabler Harzbahnen
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5a–e: Darstellung des Fliessens niedig- und hochviskoser Harze
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6a–e: Darstellung verschiedener Verfahren zur Wanderstellung
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7a–c: Darstellung des Verfahrens und der Vorrichtung (vertikal) gebogener Wände
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8a–c: Darstellung des Verfahrens und der Vorrichtung zur Bahnformung
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In Fig. 1 ist das Verfahren zum grossvolumigen Harzdruck mittels Roboterarms schematisch dargestellt.
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Ein Roboterarm (2) wird zentral über dem zu erstellenden Objekt (3) an der Decke (1) installiert. Evtl unterstützt ein zwischenmontierter Linearantrieb die Herstellung längsorientierter Objekte. Möglich ist auch der Druck auf einem xy-verfahrbaren Tisch. Eine Zahnradpumpe (5) drückt hochviskoses Harz vom Tank (4) durch einen Schlauch (16) zum Dosierventil (7) am Druckkopf (8), das vom Computer (6) gesteuert den Harzfluss zum Schnabelventil (13) reguliert. Parallel zum harzführenden Schlauch werden farbengefüllte Schläuche zu den Regelventilen (15) nahe des Druckkopfes geführt.
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Die Fig. 2 zeigt das Verfahren zur Erstellung grössen- formvariabler Harzbahnen
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Der höhensteuerbare, drehbare Druckkopf (8) besteht mindestens aus einem Schnabelventil (13) zur Harzausgabe und einer Härtungseinheit (10) bestehend aus vorzugsweise einer starken Laserdiode (zb 5 W) und einer Fokussiereinheit, die den Strahldurchmesser der der Bahnbreite (9) und die Intensität der Wandhöhe (9) anpasst. Weitere Parametrierung ist der Materialeinfärbung – per im Schnabelventil steckender Nadel (14) – und der Fahrgeschwindigkeit (12) geschuldet. Möglich ist auch die Anbringung eines Kellensystems (11), das die Bahn in Form drückt bevor sie gehärtet wird.
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Fig. 3a–c: Darstellung des Verfahrens zur Rotation des Druckkopfes zwecks Härtung der unmittelbar zuvor gelegten Bahn
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Der Druckkopf (8) rotiert dergestalt, dass die Härtungseinheit (10) stets hinter dem Schnabelventil (13) über die unmittelbar zuvor erstellte Bahn gleitet. Nach der Bahnerstellung in 3a wird in 3b nun der Druckkopf gegen den Uhrzeiger gedreht, in 3c dagegen erfolgt die Drehung (18) im Uhrzeigersinn.
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Fig. 4a–d: Darstellung des Verfahrens zur Erstellung grössen- und formvariabler Harzbahnen
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Das drehbare Schnabelventil (13) im drehbaren Druckkopf (8) erlaubt die definierte Aufbringung der Bahnformen (9). 4a zeigt relativ zur Fahrrichtung (12) ein querstehendes Schnabelventil, aus dem bei niedrigstmöglichem Druck die dünnste Bahn mit kleinstem Durchmesser (niedrigste Wandhöhe für besten Detaildruck) ausgegeben wird. 4b zeigt relativ zu 4a ein um 90° gedrehtes Schnabelventil. Hiermit sind dünnste Wände bei höherer Druckgeschwindigkeit möglich. In 4c wird der Massendurchsatz erhöht, sodass entweder hohe Druckgeschwindigkeiten oder hohe Wände ermöglicht werden. 4d zeigt den höchsten Massendurchsatz: Das quer zur Druckrichtung stehende Schnabelventil druckt bei maximalem Massendurchsatz entweder breite Wände sehr schnell oder sehr hoch. Abhängig von der Härtungsenergie können hier ca 20 cm3/s bei vorgestellter Vorrichtung gedruckt werden.
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Fig. 5a–e: Darstellung des Fliessens niedig- und hochviskoser Harze
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Niedrigviskose Harze wie in 5a gezeigt fliessen zu schnell seitlich ab um genügend formstabil für eine Wanderstellung zu sein. Hochviskose Harzmasse wie in 5b gezeigt bietet eine bessere Formstabilität. 5c zeigt nochmals das Harzfliessverhalten unter Berücksichtigung der jeweiligen Druckrichtungen. In 5d wird der Druckkopf nicht abgesenkt, somit bestimmen Viskosität, Druckgeschwindigkeit und Massendurchsatz die Wandhöhe. Besser wäre jedoch die Höhenbegrenzung durch das Schnabelventil, so erhält die Bahn nicht nur eine definierte Höhe, sondern wird auch – abhängig von Massendurchsatz und Druckgeschwindigkeit – gegen die benachbarte Bahn gepresst.
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Fig. 6a–e: Darstellung verschiedener Verfahren zur Wanderstellung
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6a zeigt die instabilste Form eine Wandaufbaus aus kreisrunden Bahnen, die kaum vertikale Berührungsfläche aufzeigen (Blockhausbau). 6b zeigt eine typische FDM Wanderstellung aus mehreren vertikalen wie auch horizontalen Schichten, wobei jede Bahn vom Mündungsstück vertikal erstellt und möglichst in eine ovale Form gedrückt wurde, sodass die Zwischenräume innerhalb der Wand minimiert wurden. In 6c wird die Wand aus einer Bahn mit grossem Höhen/Breitenverhältnis erstellt. Die Wandhöhe kann je nach Viskosität, Härtungsenergie, Materialeigenschaften, Fahrgeschwindigkeit und Massendurchsatz über 2 cm betragen. Eine äusserst schnelle Objekterstellung zu Lasten der Wandrauhigkeit. Schräge Wände könnten gemäss der Methode aus 7c dennoch versucht werden. 6d zeigt weniger rauhe Wände zu Lasten einer erhöhten Anzahl von Bahnen, die jedoch aufgrund des variablen Massendurchsatzes mit drehbarem Schnabelventil nicht viel länger dauern müssen. Müssen die Wände aus statischen Gründen dicker ausfallen, so wäre dies mit höchstem Massendurchsatz, quergestellten Schnabelventil (wie in 4d) möglich und ergäbe ein Bahnbild gemäss 6e.
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Fig. 7a–c: Darstellung des Verfahrens und der Vorrichtung vertikal gebogener Wände
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7a zeigt die herkömmliche Methode definierter Schichthöhen und Bahnbreiten im FDM Druck. Soll hier eine wie in 7a gezeigte gebogene Wand erstellt werden, so müssen die Bahnen in Form gelegt werden, mit dem Ergebnis, dass die Wand rau und die Form ungenau nachgezeichnet wäre. Bei einem vielachsig drehbaren Druckkopf eines Roboterarms muss aber bei grossen Objekten nur selten (wenn der Druckkopf gegen das Objekt führe) von oben vertikal gedruckt werden. Das beste Druckbild entsteht, wenn der Druckkopf perpendikular zur zuvor erstellten Bahn drucken kann. Dies ist insbesondere bei Decken der Fall, insbesondere wenn diese parallel zur Horizontalen erstellt werden sollen. Wenn der Druckkopf in diesem Fall horizontal spritzen kann, drückt die Harzmasse bei richtiger Einstellung gegen die zuvor erstellte Bahn und findet dort Halt, sodass die Durchbiegung minimiert wird. So sind Decken ohne Stützstrukturen möglich. 7b zeigt, dass hier ohne definierte Höhenschichten gedruckt wird und jede Bahn möglichst senkrecht auf die zuvor erstellte trifft. Der Druckkopf (8) muss sich dafür wie in 7c gezeigt ständig der Wandstruktur anpassen.
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Fig. 8a–c: Darstellung des Verfahrens und der Vorrichtung zur Bahnformung
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Die mittels Schnabelventils gelegte Bahn wird in Form gedrückt, indem Silikonkellen zu beiden Seiten des Ventils oder unmittelbar dahinter vertikal wie auch lateral Bahn-längszentriert verfahren können um die Bahn seitlich zu formen, sofern eine Wand erstellt wird (8a), oder nur eine seitenformgebende Kelle um die aktuelle Bahnhöhe heruntergefahren wird, wenn die Bahn neben eine andere und auf eine Fläche gelegt wird (8b), oder eine seitenformgebende Kelle um eineinhalb mal die aktuelle Bahnhöhe heruntergefahren wird, wenn die Bahn neben eine andere und auf eine Wand-Bahn gelegt wird (8c).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Objektzentrierte Deckenmontage, mit Linearantrieb bei langgezogenen Objekten
- 2
- Roboterarm
- 3
- Konisch nach unten zulaufendes Bauvolumen
- 4
- Harztank
- 5
- Dickstoffpumpe, zB 100 Pas
- 6
- PC
- 7
- PC-gesteuertes Harz-Ventil
- 8
- Drehbarer Druckkopf
- 9
- Gedruckte Harzbahn
- 10
- Intensitäts- und Durchmesser-variabler Laserstrahl
- 11
- Höhen- und Distanz-variable Kellen
- 12
- Druckrichtung
- 13
- Höhenvariables (durch Roboterarmbewegung) und Austrittsöffungs-variables (durch Massendurchsatz) drehbares Schnabelventil
- 14
- Nadel zur Farbdurchmischung des transparenten Harzes
- 15
- Vielfach-Ventil zum Durchlassen einer Farbe pro Kanal
- 16
- Schlauch für Harz und Farbtransport zum Druckkopf
- 17
- Multikanalpumpe für CMYBW
- 18
- Indikation der Drehrichtung des Druckkopfes
