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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Aufbewahrungsfach für Druckmaterial eines Additiv-Manufacturing-Systems, insbesondere eines 3D-Druckers, sowie ein Additiv-Manufacturing-System, insbesondere einen 3D-Drucker.
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Im Zusammenhang mit dem 3D-Druck von Kunststoffen insbesondere für medizinische Anwendungen (z.B. für Implantate) steht vor allem die derzeit erzielbare Bauteilqualität im Fokus vieler wissenschaftlicher Untersuchungen. Zwei der wichtigsten Herausforderungen, die im Hinblick auf Bauteilqualität eine entscheidende Rolle spielen sind die Feuchtigkeit und Bauteiltoleranz und die Bauteilsterilität bzw. Bauteilpartikelniederschlag.
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So ist aus der
DE 10 2015 111 504 A1 bereits eine 3D-Druckvorrichtung, insbesondere eine FFF-Druckvorrichtung, mit zumindest einer Druckkopfeinheit bekannt, wobei die Druckkopfeinheit in zumindest einem Betriebszustand dazu vorgesehen ist, ein zumindest teilweise von einem Hochleistungskunststoff, insbesondere einem Hochleistungsthermoplast, gebildetes Druckmaterial aufzuschmelzen.
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Ferner offenbart die
EP 2 261 009 A1 Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, wobei die Vorrichtung eine Vakuumpumpe aufweist, die an ein Zuführreservoir gekoppelt ist, um einen Luftstrom durch das Zuführreservoir zu erzeugen.
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Zudem ist in der
EP 3 023 228 A1 eine additive Fertigungsvorrichtung gezeigt, die ein Gasströmungssystem aufweist, um einen Gasstrom über dem Bereich der Bauplattform der additiven Fertigungsvorrichtung bereitzustellen.
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Im Übrigen ist in der
EP 3 173 233 A1 eine dreidimensionale Fertigungsvorrichtung offenbart, die ein Verarbeitungsraum aufweist, der von einer dafür vorgesehenen Verarbeitungsraum-Heizeinheit beheizt wird.
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Außerdem offenbart die
US 6,033,301 A eine kombinierte Lüfter-Filter-Einheit, die zur Filterung der Luft eines Luftkreislaufs in einem Reinraum vorgesehen ist.
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Weiterhin ist in der
US 6,722,872 B1 eine dreidimensionale Modellierungsvorrichtung gezeigt, die dazu vorgesehen ist dreidimensionale Objekte innerhalb einer beheizten Baukammer aufzubauen.
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Darüber hinaus ist in der
US 6,817,941 B1 ein Diffusor zur Erzeugung eines gleichmäßigen Luftstroms innerhalb einer Prozesskammer gezeigt, die z.B. bei der Fertigung von Halbleiterchips Anwendung findet.
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Des Weiteren zeigt die
US 2015/110911 A1 eine Umgebungs-Überwachungs- bzw. Steuerungseinheit, die beispielsweise als eine Schnittstelle bei additiven Fertigungstechnologien zur ihren jeweiligen Umgebungen verwendet wird.
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Im Übrigen ist in der
WO 2016/063198 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch „Fused Deposition Modelling“ gezeigt, wobei die Herstellungsvorrichtung Strahlungsheizelemente aufweist, welche eine ihnen ausgesetzte Oberfläche des herzustellenden Objekts erhitzen können.
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Zudem ist aus der
WO 2017/040675 A1 eine Reinraumtechnologie für 3D Drucker und sogenannte Bioprinter bekannt.
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Aus der
WO 2017/108477 A1 kann weiter ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes mit einem „Fused Deposition Modelling“-Drucker entnommen werden.
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Ausgehend von den im Stand der Technik vorgeschlagenen Lösungen besteht bei bezüglich dieser additiven Fertigungsvorrichtungen weiterhin die Problematik insbesondere einer für medizinische Anwendungen nicht ausreichenden Bauteilsterilität und/oder Freiheit von Verunreinigungen, wie von Partikeln.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Aufbewahrungsfach für Druckmaterial eines Additiv-Manufacturing-Systems der eingangs genannten Art in vorteilhafter Weise weiterzubilden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Aufbewahrungsfach mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach ist vorgesehen, dass ein Aufbewahrungsfach für Druckmaterial eines Additiv-Manufacturing-Systems wenigstens eine Druckkammer aufweist, die gegenüber der Umgebung abdichtbar ist und geöffnet und geschlossen werden kann. Bei dem Additiv-Manufacturing-System kann es sich insbesondere um einen 3D-Drucker handeln. Das Druckmaterial kann insbesondere Filament für ein Additiv-Manufacturing-System bzw. einen 3D-Drucker sein.
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Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, dass im geschlossenen Zustand das Aufbewahrungsfach gegenüber der Umgebung abgedichtet werden kann und dass mittels der Druckkammer auch gleichzeitig dafür gesorgt werden kann, dass das Druckmaterial in einer klar von der Umgebung abgegrenzten Räumlichkeit eingelegt und von dort aus verarbeitet werden kann.
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Durch den Einsatz einer Druckkammer wird darüber hinaus erreicht, dass ein Eintrag von Verunreinigungen in die Druckkammer vermieden werden kann. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Druckkammer einen gegenüber der Umgebung höheren Druck aufweist, so dass Partikel aus der Luft nicht in die Druckkammer eingetragen werden können.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass das Aufbewahrungsfach eine Fluidquelle, insbesondere eine Druckluftquelle aufweist und/oder einen Druckluftanschluss aufweist, mittels dessen das Aufbewahrungsfach mit einer Druckluftquelle verbindbar ist, so dass das Aufbewahrungsfach im geschlossenen Zustand einen erhöhten Druck gegenüber der Umgebung außerhalb der Druckkammer aufweist. Denkbar ist auch, dass als Prozessgas nicht Luft, sondern ein anderes Gas wie z.B. Stickstoff als Prozessgas verwendet wird. Grundsätzlich ist auch denkbar in diesem Zusammenhang, dass das Aufbewahrungsfach mit seiner Druckkammer nicht nur im geschlossenen, sondern auch im geöffneten Zustand einen erhöhten Druck gegenüber der Umgebung aufweist. Durch die Druckluftquelle wird dann auch erreicht, dass der Druck bzw. Druckluft aus dem geöffneten Aufbewahrungsfach bzw. der Druckkammer des Aufbewahrungsfachs ausströmt und hierdurch kein Partikeleintrag in die Druckkammer möglich ist. Beim Einsetzen von Druckmaterial, insbesondere Filamente in die Druckkammer, kann somit zu einem sehr hohen Grad sichergestellt werden, dass es zu wenig bzw. zu keiner Verunreinigung kommen kann. Der Druck gegenüber der Umgebung muss dabei auch nur geringfügig erhöht sein.
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Dabei ist der Druck derart zu wählen, dass leichte Partikel, wie Staubpartikel, nicht bei geöffneter Druckkammer in die Druckkammer selbst hinein gelangen können. Denkbar ist beispielsweise einen gegenüber der Umgebung erhöhten Druck von weniger als 50 Pa, aber auch einen Druck von ca. 0,25 bar oder mehr, beispielsweise auch 0,5 bar oder mehr, zu wählen.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass das Aufbewahrungsfach wenigstens ein Temperatureinstellelement aufweist. Das Temperatureinstellelement kann sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendet werden. Durch die Einstellung der Temperatur kann darüber hinaus auch die Luftfeuchtigkeit innerhalb der Druckkammer bzw. des Aufbewahrungsfachs besser eingestellt werden. Hierdurch wird eine verbesserte Klimatik innerhalb des Aufbewahrungsfachs erreicht. Über die Regulierung der Luftfeuchtigkeit kann darüber hinaus auch die Proliferation von Mikroorganismen, wie Bakterien oder Pilzen, entsprechend beeinflusst werden.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass im und/oder am Aufbewahrungsfach wenigstens ein Temperatursensor vorgesehen ist. Über den Temperatursensor wird es möglich, eine Überwachung der Temperatur innerhalb des Aufbewahrungsfachs, insbesondere innerhalb der Druckkammer, vorzunehmen.
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Zudem kann vorgesehen sein, dass im und/oder am Aufbewahrungsfach wenigstens ein Luftfeuchtigkeitssensor vorgesehen ist. Durch den Einsatz eines Luftfeuchtigkeitssensors kann die Luftfeuchtigkeit überwacht und entsprechend nachjustiert werden. Denkbar ist insbesondere, dass neben dem Luftfeuchtigkeitssensor auch ein entsprechendes Kontrollelement oder eine Steuerung und/oder Regelung für die Klimatik der Druckkammer vorgesehen ist. Denkbar ist in diesem Zusammenhang das Temperatureinstellelement, Temperatursensor und Luftfeuchtigkeitssensor entsprechend mit dem entsprechenden Kontrollelement oder einer Kontrolleinheit verknüpft sind, so dass hierüber eine Einstellung der Temperatur und Luftfeuchtigkeit, aber auch des Drucks in der Druckkammer ermöglicht wird.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass im und/oder am Aufbewahrungsfach wenigstens ein Gassensor vorgesehen ist. Denkbar ist insbesondere, durch die Messung der Gaszusammensetzung ggf. direkt oder indirekt auf die Feuchtigkeit zu schließen. Denkbar ist auch, über die Einstellung des Gasgehaltes bzw. des Gasanteils bestimmter Gase die Feuchtigkeit im Bauraum einzustellen.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass im und/oder am Aufbewahrungsfach wenigstens ein Überdruckventil vorgesehen ist. Über das Überdruckventil ist es möglich, den Druckbereich in der Druckkammer auf das gewünschte Maß einstellen zu können. Wird festgestellt, dass hier ein entsprechender Überdruck innerhalb der Druckkammer entsteht, der nicht mehr den Vorgaben entspricht, so kann halbautomatisch (beispielsweise durch entsprechende Anzeige und Warnhinweis) oder automatisch der Druck entsprechend ausgeglichen werden. Bei einer Halbautomatik würde über eine Anzeige vorgeschlagen werden, dass der Druck entsprechend nachgeregelt werden müsste bzw. das Überdruckventil betätigt werden soll. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang auch denkbar, dass die Druckkammer mit einem oder mehreren Drucksensoren zur Überwachung des Druckes versehen ist.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass im und/oder am Aufbewahrungsfach wenigstens ein Durchlauftemperierelement vorgesehen ist. Mittels des Durchlauftemperierelement kann die Temperatur des Prozessgases, insbesondere der Druckluft, eingestellt werden. Denkbar ist, dass das Durchlauftemperierelement beispielsweise an der Zuführleitung für die Druckluft angeordnet. Denkbar ist insbesondere, dass das Durchlauftemperierelement an der Zuführleitung vor dem bzw. stromaufwärts des Drucklufteinlass angeordnet ist. Das Durchlauftemperierelement kann ein Durchlauferhitzer und/oder ein Durchlaufkühler sein. Mittels eines Durchlauferhitzers kann das Prozessgas, insbesondere die Druckluft für die Druckkammer entsprechend erwärmt werden. Mittels eines Durchlaufkühlers kann das Prozessgas, insbesondere die Druckluft, gekühlt werden.
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Im und/oder am Aufbewahrungsfach kann wenigstens eine Filamentdurchführung vorgesehen sein. Die Filamentdurchführung kann eine Schleusenfunktion aufweisen, so dass aus dem Aufbewahrungsfach, aber auch umgekehrt keine Verschmutzungen oder dergleichen eintreten können. Denkbar ist, dass die Öffnung der Filamentdurchführung an den Durchmesser des Filaments angepasst ist und dieses nahezu vollständig umfasst und zugleich auch führt.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass zwischen Druckluftquelle und Druckkammer ein Druckeinstellelement vorgesehen ist. Beispielsweise kann es sich bei dem Druckeinstellelement um einen Druckminderer oder dergleichen handeln.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass zwischen Druckluftquelle und Druckkammer ein Ventilelement vorgesehen ist. Mittels des Ventilelements ist es möglich, die Druckluftzufuhr zur Druckkammer komplett zu unterbrechen und hierdurch einen weiteren Druckaufbau innerhalb der Druckkammer zu verhindern. Denkbar ist auch, dass über eine entsprechende Kontrolleinheit sowohl die Druckluftzufuhr, das entsprechende Ventilelement zur Unterbrechung der Druckluftzufuhr, aber auch die Ansteuerung des Überdruckventils zum Ablassen von Druck aus der Druckluftkammer entsprechend miteinander verknüpft sind, so dass eine automatische Druckregelung der Druckkammer ermöglicht wird.
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Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Additiv-Manufacturing-System, insbesondere einen 3D-Drucker, mit wenigstens einem Aufbewahrungsfach wie vorstehend beschrieben.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher gezeigt werden. Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau eines erfindungsgemäßen Additiv-Manufacturing-Systems sowie das zugehörige erfindungsgemäße Aufbewahrungsfach für Druckmaterial.
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Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Additiv-Manufacturing-Systems; und
- 2 eine schematische Detaildarstellung des Additiv-Manufacturing-Systems gem. 1 mit Filamentkammer.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Additiv-Manufacturing-Systems 10 gezeigt.
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2 zeigt das Additiv-Manufacturing-System 10 im Detail mit der Filamentkammer.
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Das Additiv-Manufacturing-System 10 ist hier als 3D-Drucker ausgeführt.
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Das Additiv-Manufacturing-System 10 weist hier ein Aufbewahrungsfach 12 auf.
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Das Aufbewahrungsfach 12 weist weiter eine Druckkammer 14 auf.
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Die Druckkammer 14 wird auch Filamentkammer genannt.
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In der Druckkammer 14 ist wenigstens eine Abrollspindel 16 vorgesehen. Auf der Abrollspindel 16 ist weiter im gezeigten Ausführungsbeispiel (wenigstens) eine Filamentspule 18 aufgefädelt. Grundsätzlich können auch mehrere Filamentspulen hier aufgefädelt sein.
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Bei der Filamentspule 18 handelt es sich um Druckmaterial für das Additiv-Manufacturing-System 10. Das Filament von der Filamentspule 18 kann durch die Filamentdurchführung 36 aus dem Aufbewahrungsfach 12 geführt und anderen Elementen des Additiv Manufacturing Systems 10 zugeführt werden.
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Die Druckkammer 14 ist gegenüber der Umgebung abdichtbar und im Betriebszustand auch abgedichtet. Die Abdichtung muss nicht vollständig sein, dass durch den (leichten) Überdruck in der Druckkammer 14 verhindert wird, dass Partikel durch Spalten eindringen können.
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Die Druckkammer 14 kann geöffnet und geschlossen werden.
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Des Weiteren ist in der Druckkammer 14 selbst ein Temperatursensor 20 vorgesehen. Grundsätzlich ist auch denkbar, dass mehrere Temperatursensoren 20 in der Druckkammer 14 und/oder um die Druckkammer 14 herum angeordnet sind.
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Außerdem ist ein Luftfeuchtigkeitssensor 22 in der Druckkammer 14 vorgesehen.
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Denkbar ist auch, dass der Temperatursensor und der Luftfeuchtigkeitssensor als Kombi-Sensor ausgebildet sind.
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Auch hier ist denkbar, dass mehrere Luftfeuchtigkeitssensoren 22 vorgesehen sein können. Diese können im und/oder um bzw. benachbart zur Druckkammer 14 angeordnet sein.
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Außerdem weist die Druckkammer 14 ein Überdruckventil 24 auf.
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Ferner ist eine Druckluftquelle 26 vorgesehen. Grundsätzlich können aber auch neben Luft andere Fluide bzw. Prozessgase wie beispielsweise Stickstoff verwendet werden.
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Die Druckluftquelle 26 kann Bestandteil des Aufbewahrungsfaches 12 sein. Denkbar ist aber auch, dass es sich um eine Druckluftquelle 26 des Additiv-Manufacturing-Systems 10 handelt, oder um eine Druckluftquelle 26, die mit dem Additiv-Manufacturing-System 10 oder dem Aufbewahrungsfach 12 in Verbindung stehen kann bzw. in Verbindung steht im montierten und betriebsbereiten Zustand.
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Darüber hinaus ist ein Ventilelement, in gezeigtem Ausführungsbeispiel ein Magnetventil 28, vorgesehen.
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Außerdem ist ein Druckminderer 30 vorgesehen.
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Des Weiteren ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Durchlauferhitzer 32 vorgesehen.
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Außerdem ist eine Steuerungseinheit 34 vorgesehen.
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Die Druckluftquelle 26 stellt Druckluft bereit, die beispielsweise leicht erhöht gegenüber dem Umgebungsdruck sein kann. Denkbar ist hier ein Druckbereich von 0,25 bis 0,5 bar höher als der Umgebungsdruck bzw. der Druck im Aufstellraum. Stromabwärts der Druckluftquelle 26 ist das Magnetventil 28 angeordnet. Mittels des Magnetventils 28 kann der von der Druckluftquelle 26 bereitgestellte Luftstrom gestoppt bzw. weiter dem Aufbewahrungsfach 12 zugeführt werden.
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Stromabwärts des Magnetventils 28 ist der Druckminderer 30 vorgesehen. Mittels des Druckminderers 30 kann der Eingangsdruck für das Aufbewahrungsfach 12 entsprechend reduziert werden auf den gewünschten Prozessdruck.
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Stromabwärts des Druckminderers 30 ist dann der Durchlauferhitzer 32 vorgesehen, mittels dessen der Luftstrom auf Prozesstemperatur temperiert werden kann.
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Die Steuereinheit 34 ist mit dem Temperatursensor 20, dem Luftfeuchtigkeitssensor 22, dem Magnetventil 28 und dem Durchlauferhitzer 32 gekoppelt. Darüber hinaus ist die Steuerungseinheit 34 (nicht näher dargestellt) mit dem Überdruckventil 24 und nicht näher dargestellten Drucksensoren gekoppelt.
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Denkbar ist aber auch, dass das Überdruckventil 24 wie gezeigt nicht mit der Steuerungseinheit 34 gekoppelt ist und lediglich auf einen entsprechenden Druck eingestellt ist, ab dem das Druckventil in die geöffnete Stellung überführt wird, so dass entsprechend Überdruck aus der Druckkammer 14 abgelassen werden kann.
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Idealerweise befindet sich die Druckluftzufuhr im aufgestellten und betriebsbereiten Zustand des Additiv-Manufacturing-System 10 oben und der Auslass/Überdruckventil unten, damit Partikel gezielt abgeführt werden können.
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Über die Kopplung mit dem Temperatursensor 20 und dem Luftfeuchtigkeitssensor 22 ist die Steuerungseinheit 34 in der Lage, entsprechende Messwerte aus der Druckkammer 14 selbst aufzunehmen im Hinblick auf Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Über diese Parameter wird es dann möglich, das Magnetventil 28 und den Durchlauferhitzer 32 entsprechend anzusteuern, so dass Druckluft mit der entsprechenden Temperatur zugeführt werden kann. Denkbar ist auch, dass auf dem Weg der von der Druckluftquelle 26 bereitgestellten Druckluft auch noch Entfeuchtungsmittel vorgesehen sind. Hierüber kann auch die Luftfeuchtigkeit entsprechend eingestellt werden. Dies kann aber auch alleine bereits über den Durchlauferhitzer 32 erfolgen.
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Untersuchungen haben gezeigt, dass gerade die Feuchtigkeit im Filament, d.h. dem Druckmaterial, einen signifikanten Einfluss auf die Druckergebnisse haben kann.
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Thermoplastisches Filament kann während der Lagerung Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen, weshalb es nach Stand der Technik oftmals in Trockenschränken oder ähnlichem gelagert wird bzw. werden muss. Darüber hinaus wird es in der Regel gezielt vor dem Drucken getrocknet.
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Dies ist nunmehr gemäß der vorliegenden Erfindung nicht mehr zwingend der Fall, da eine Trocknung bereits im eingelegten Zustand im 3D-Drucker im Aufbewahrungsfach 12 für das Druckmaterial erfolgen kann.
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Dadurch wird die Problematik der Feuchtigkeitsaufnahme des Filaments, während es sich im Drucker befindet, gelöst. Durch den Umstand, dass die Filamentkammer 12 gut gegenüber der Außenwelt verschlossen ist, kann Feuchtigkeitseindrang, aber auch eine Verunreinigung aus der Umgebung verhindert werden. Darüber hinaus wird dem Filament stets trockene Luft zugeführt, im gezeigten Ausführungsbeispiel durch Druckluft. Die Druckluft aus der Druckluftquelle 26 flutet die Filamentkammer 12 und sorgt so dafür, dass die Luftfeuchtigkeit innerhalb der Filamentkammer 12 auf einen sehr geringen Wert gehalten werden kann. Der Luftfeuchtigkeitssensor 22 innerhalb der Filamentkammer 12 wird auf einen definierten Wert eingestellt, der nicht überschritten werden darf. Wird die Grenze erreicht, so wird das Magnetventil 28 über die Steuerungseinheit 34 angesteuert und es wird trockene Luft über die Druckluftquelle 26, die über den Durchlauferhitzer 32 noch erhitzt wird, entsprechend bereitgestellt, die dann in die Filamentkammer 12 einströmt.
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Dieser Mechanismus kann auch zum initialen Trocknen von Filament genutzt werden.
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Durch das Überdruckventil 24 wird darüber hinaus erreicht, dass der Überdruck in der Kammer 12 nicht über ein vorher bestimmtes Maß hinausgehen kann und dieses überschreitet. Es wird über den Überdruck darüber hinaus sichergestellt, dass von außen keine Partikel in die Filamentkammer 12 gelangen und das Filament während des Fertigungsprozesses nicht kontaminiert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Additiv-Manufacturing-System
- 12
- Aufbewahrungsfach
- 14
- Druckkammer
- 16
- Abrollspindel
- 18
- Filamentspule
- 20
- Temperatursensor
- 22
- Luftfeuchtigkeitssensor
- 24
- Überdruckventil
- 26
- Druckluftquelle
- 28
- Magnetventil
- 30
- Druckminderer
- 32
- Durchlauferhitzer
- 34
- Steuerungseinheit
- 36
- Filamentdurchführung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015111504 A1 [0003]
- EP 2261009 A1 [0004]
- EP 3023228 A1 [0005]
- EP 3173233 A1 [0006]
- US 6033301 A [0007]
- US 6722872 B1 [0008]
- US 6817941 B1 [0009]
- US 2015110911 A1 [0010]
- WO 2016/063198 A1 [0011]
- WO 2017/040675 A1 [0012]
- WO 2017/108477 A1 [0013]
