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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils gemäß Anspruch 9.
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Stand der Technik
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Bei der additiven Fertigung bzw. beim 3D-Drucken werden flüssige oder feste Werkstoffe schichtweise zu einem dreidimensionalen Werkstück aufgebaut. Beispielsweise können thermoplastische Werkstoffe, insbesondere thermoplastische Kunststoffe, eingesetzt werden, die durch Erhitzen zunächst verflüssigt werden. Der flüssige Werkstoff wird dann selektiv auf Stellen aufgebracht, an denen das Werkstück entstehen soll. Mit dem Abkühlen verfestigt sich der Werkstoff wieder.
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Eine solche Vorrichtung umfasst einen Druckkopf, in dem das Ausgangsmaterial druckfertig aufbereitet wird. Weiterhin sind Achssysteme zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und der Arbeitsfläche, auf der das Objekt entstehen soll, bekannt. Dabei können entweder nur der Druckkopf, nur die Arbeitsfläche oder aber sowohl der Druckkopf als auch die Arbeitsfläche bewegt werden.
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Einige thermoplastische Werkstoffe neigen dazu, beim Abkühlen zu schwinden. Das Schwinden führt zu abweichenden Abmessungen des fertigen Werkstücks. Um dem entgegenzuwirken, sind sogenannte 3D-Drucker mit beheizbaren Baukammern bekannt, so dass eine möglichst konstante Temperierung der Baukammer während des Druckvorgangs möglich ist. Dabei gibt es Elemente, die beispielsweise in die Baukammer ragen können und dadurch das Temperaturgefüge verändern. Insbesondere wenn diese Elemente nicht temperiert sind, können Kältebrücken entstehen, wodurch eine ungleichmäßige Temperierung der Baukammer resultiert und es zu einem thermischen Verzug in dem zu fertigenden Werkstück, bzw. des Bauteils führen kann. Ein fehlerfreier Aufbau des herzustellenden Werkstücks, bzw. Bauteils, ist somit durch den entstandenen thermischen Verzug nicht möglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, die die additive Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem thermoplastischen Werkstoff effizienter und damit kostengünstiger gestaltet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks gemäß Anspruch 9 erfüllt.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks umfasst eine Baukammer, zumindest einen Druckkopf, eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des dreidimensionalen Werkstücks, ein Umluftsystem zum Temperieren und Fördern eines gasförmigen Fluides, eine Verstellvorrichtung, umfassend ein x-y-Achssystem mit einer Druckkopfaufnahme und ein z-Achssystem, wobei erfindungsgemäß das Umluftsystem eine Vorrichtung zum Temperieren und Fördern eines gasförmigen Fluides, eine Einlassvorrichtung und eine Auslassvorrichtung aufweist, wobei die Auslassvorrichtung in dem z-Achssystem integriert und mit diesem verstellbar angeordnet ist.
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Die Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks ist auch als 3D-Drucker, bzw. Drucker bekannt.
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Durch das Umluftsystem mit der Vorrichtung zum Temperieren und Fördern des gasförmigen Fluides wird in vorteilhafter Weise eine Optimierung der Temperierung der Baukammer erreicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks wirkt somit einer inhomogenen Temperierung der Baukammer entgegen und sorgt für ein homogeneres Temperaturgefüge in der gesamten Baukammer. Das gasförmige Fluid kann Luft oder in vorteilhafter Weise ein Schutzgas sein.
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Ferner umfasst das Umluftsystem die Vorrichtung zum Temperieren und Fördern des gasförmigen Fluides durch die in vorteilhafter Weise das gasförmige Fluid beheizt und in das Umluftsystem gefördert wird. Durch die Einlassvorrichtung strömt das gasförmige Fluid in die Baukammer, füllt diese aus, umströmt das zu fertigende Werkstück und strömt anschließend durch die in dem z-Achssystem integrierte Auslassvorrichtung. Dadurch sorgt das Umluftsystem der Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks in vorteilhafter Weise für ein homogenes Temperaturgefüge innerhalb der Baukammer.
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Zudem kombiniert die erfindungsgemäße Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks die Verstellung in der z-Höhe der Achse mit der Abfuhr der Prozessluft für das Umluftsystem. Durch dieses veränderte Lüftungssystem wird die Baukammer zusammen mit dem Werkstück, bzw. Bauteil konstanter temperiert. Die Temperierung ist dabei in vorteilhafter Weise wesentlich gleichmäßiger, wodurch weniger Verzug im Werkstück, bzw. Bauteil entsteht. Insbesondere wird in vorteilhafter Weise eine Effizienzverbesserung des gesamten Wärmesystems der Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks erreicht. Dies geschieht insbesondere durch eine Verhinderung von Kälte- oder Wärmespots innerhalb der Baukammer, wodurch in vorteilhafter Weise eine Verringerung des Werkstückverzugs erreicht wird.
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In einer Weiterbildung weist die Auslassvorrichtung Ausnehmungen auf, die in einem Gehäuse des z-Achssystems angeordnet sind.
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Dadurch wird erreicht, dass der Luftstrom durch die z-Achse geführt wird, wodurch diese mit temperiert wird. Die zuvor untemperierten z-Achsen haben daher in vorteilhafter Weise keinen Einfluss auf die Gesamttemperierung der Baukammer. Zudem wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass nur noch eine zentrale Z-Achse verwendet werden kann.
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In einer Weiterbildung sind die Ausnehmungen der Auslassvorrichtung unterhalb der Aufnahmevorrichtung angeordnet.
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In einer bevorzugten Weiterbildung weist die Einlassvorrichtung einen Kanal und eine Anschlussvorrichtung mit einer Einlassöffnung auf, wobei das gasförmige Fluid von der Vorrichtung zum Temperieren und Fördern durch die Einlassvorrichtung in die Baukammer förderbar ist. Dadurch wird eine Einstellmöglichkeit an den Ein- und Auslassvorrichtungen bzgl. des Luftein- und ausstroms ermöglicht, die in vorteilhafter Weise je nach Bauteil angepasst werden können.
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In einer Weiterbildung ist die Einlassöffnung der Einlassvorrichtung oberhalb des Werkstücks und des z-Achssystems angeordnet.
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Durch einstellbare Ein- und Auslassschlitze bzw. Ein- und Auslassventile lässt sich in vorteilhafter Weise eine bessere Kontrolle des Luftstroms erreichen. Der wesentliche Vorteil ist hierbei die zentrale Abfuhr bzw. das zentrale Ansaugen des gasförmigen Fluides, bzw. der Prozessluft unterhalb der Baukammer, wodurch ein Luftstrom ermöglicht wird, der eine homogene Temperaturführung ergibt und gleichzeitig in derselben Baugruppe wie die Höhenverstellung der Aufnahmevorrichtung für das Werkstück, bzw. des Substratträgers erfolgt. Von zuvor beispielsweise fünf Durchbrüchen in den Boden der Baukammer ist durch die erfindungsgemäße Ausführung nur noch ein Durchbruch notwendig. Gleichzeitig wird die Teleskopachse der z- Achse temperiert und stellt dadurch in vorteilhafter Weise keine Kältebrücke mehr dar. Auch können beispielsweise Kabel für Sensoren und Leitungen, bzw. Kabel für eine Heizung der Bauplatte in dem Gehäuse, bzw. dem Lüftungsschacht verlegt werden. Die Konzentration dieser Funktionen ermöglicht in vorteilhafter Weise eine deutlich kostengünstigere Umsetzung und erhöht die Zugänglichkeit und Wartbarkeit der Baukammer. Dadurch wird beispielsweise in vorteilhafter Weise möglich die gesamte Baukammer aus dem Drucker herauszuziehen. Dazu wird beispielsweise der Substratträger demontiert und die z-Achse, bzw. Teleskopachse fährt aus der Baukammer heraus.
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Ferner wird die Effizienz der Baukammertemperierung insgesamt verbessert, da aufgrund der veränderten z-Achse weniger Wärme abgeführt wird. Zudem führt die Platzierung des Ein- und Auslasses zu einer gleichmäßigeren Verteilung der eingeführten Wärme, wodurch Kälte- oder Wärmespots innerhalb der Baukammer verhindert werden. Darüber hinaus ist wie bereits beschrieben kein weiterer Durchbruch in der Baukammer notwendig, wodurch ein Wechseln der Baukammer im Wartungsfall vereinfacht wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Anschlussvorrichtung mit der Einlassöffnung an dem Druckkopf angeordnet. Hierbei kann optimal sichergestellt werden, dass das gasförmige Fluid, bzw. die Prozessluft einen optimalen Wärmeabtransport vom ausgebrachten Druckmaterial erzeugt. Das gasförmige Fluid, bzw. die Luft fließt um das Werkstück, bzw. das Bauteil herum, wobei die Luft direkt unter der Aufnahmevorrichtung, bzw. dem Substratträger (auch Bauplatte genannt) angesaugt wird. Dadurch sind in vorteilhafter Weise keine aufeinandertreffenden Luftströme vorhanden und es können so gut wie keine kalten und warmen Temperaturnester entstehen.
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In einer Weiterbildung ist die Einlassöffnung der Einlassvorrichtung zur Aufnahme austauschbarer Einlassformen geeignet, wobei die Einlassformen je nach Werkstückgeometrie unterschiedliche Geometrien, bzw. Öffnungsgeometrien aufweisen.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele vorgeschlagen.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Zeichnung und der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 Eine Ansicht einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks nach Stand der Technik,
- 2 eine Ansicht einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks mit einem Umluftsystem,
- 3 eine Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks,
- 4 eine Ansicht einer Weiterbildung der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks,
- 5 Schnittzeichnungen von Einlassformen und
- 6 eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks.
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Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Ansicht einer Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks 10. Die dargestellte Vorrichtung 1, auch 3D-Drucker, oder Drucker genannt, umfasst eine beispielsweise beheizte Baukammer 2, eine Verstellvorrichtung 5, einen Druckkopf 3 und eine Aufnahmevorrichtung 4 zur Aufnahme des dreidimensionalen Werkstücks 10. Die Verstellvorrichtung 5 umfasst ein oberhalb des Werkstücks 10 angeordnetes x-y-Achssystem 15 mit einer Druckkopfaufnahme 25 zur Verstellung des Druckkopfs 3 in einer x-y-Ebene und ein unterhalb des Werkstücks angeordnetes z-Achssystem 35 zur Verstellung der Aufnahmevorrichtung 4 in z-Richtung. Die Verstellvorrichtung 5 sorgt durch ihre Bewegungen des Druckkopfes und der Aufnahmevorrichtung für die dreidimensionale Herstellung des Werkstücks auf der Aufnahmevorrichtung 4, bzw. der sogenannten Substratplatte, bzw. des Substratträgers. Hierzu wird ein beispielsweise thermoplastischer Werkstoff verflüssigt und schichtweise auf den Substratträger 4 aufgetragen, so dass das zu fertigende Werkstück 10 entsteht.
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Zu Beginn eines Druckvorgangs wird die Baukammer 2 auf Prozesstemperatur erhitzt, beispielsweise mittels eines nicht dargestellten integrierten Heizsystems. Gedruckt wird auf einen Substratträger 4, der speziell beschichtet ist, um die Haftung des verflüssigten thermoplastischen Werkstoffs auf der Oberfläche des Substratträgers 4 zu verbessern. Der Substratträger 4 liegt innerhalb der Baukammer 2 auf einem Druckbett auf. Über ein Vakuum oder einen Anschlagbolzen kann er in Position gehalten werden.
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2 zeigt eine Ansicht einer Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks 10 mit einem Umluftsystem 12, wobei das Umluftsystem 12 eine Vorrichtung 6 zum Temperieren und Fördern eines gasförmigen Fluides 7, eine Einlassvorrichtung 40 und eine Auslassvorrichtung 50 aufweist. In der Baukammer 2 ist der Substratträger 4 angeordnet auf dem das Werkstück 10 platziert ist. Der Substratträger 4 ist an dem z-Achssystem 35 angeordnet. Das gasförmige Fluid 7, bzw. die Prozessluft wird in der Vorrichtung 6 zum Temperieren und Fördern erwärmt und über ein nicht dargestelltes Fördersystem innerhalb der Vorrichtung 6 durch Leitungen der Einlassvorrichtung 40 an Einlassöffnungen 43 in die Baukammer 2 gefördert. Die Prozessluft 7 strömt in die Baukammer 2, verteilt sich dort homogen und strömt beim Absaugen an dem Werkstück 10 vorbei zur Auslassvorrichtung 50, die am Boden der Baukammer 2 nicht beweglich angeordnet ist. Nachteilig ist hierbei, dass mehrere Einlassöffnungen 43 an der Baukammer 2 angeschlossen sind und die Auslassvorrichtung 50 fest am Boden der Baukammer 2 platziert ist. Dadurch wird ein hoher Luftdurchsatz nötig, um einen optimalen Luftstrom am Werkstück 10 zu erzeugen.
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3 zeigt eine Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, bzw. eines Druckers zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks 10, wobei der Drucker 1 die Baukammer 2, den Druckkopf 3, die Aufnahmevorrichtung 4, bzw. den Substratträger zur Aufnahme des dreidimensionalen Werkstücks 10, ein Umluftsystem 12 zum Temperieren und Fördern des gasförmigen Fluides 7 und eine Verstellvorrichtung 5 umfasst. Die Verstellvorrichtung 5 umfasst ein nicht dargestelltes x-y-Achssystem 15 mit einer nicht dargestellten Druckkopfaufnahme 25 und ein z-Achssystem 35. Das Umluftsystem 12 weist die Vorrichtung 6 zum Temperieren und Fördern des gasförmigen Fluides 7, bzw. der Prozessluft, eine Einlassvorrichtung 40 und eine Auslassvorrichtung 50 auf, wobei die Auslassvorrichtung 50 in dem z-Achssystem 35 integriert und mit diesem verstellbar angeordnet ist.
Die Auslassvorrichtung 50 weist Ausnehmungen 51 auf, die in einem Gehäuse 36 des z-Achssystems 35 angeordnet sind.
Die Ausnehmungen 51 der Auslassvorrichtung 50 sind unterhalb der Aufnahmevorrichtung 4, bzw. des Substratträgers angeordnet.
Die Einlassvorrichtung 40 weist einen Kanal 41 und eine Anschlussvorrichtung 42 mit einer Einlassöffnung 43 auf, wobei das gasförmige Fluid 7 von der Vorrichtung 6 zum Temperieren und Fördern durch die Einlassvorrichtung 40 in die Baukammer 2 förderbar ist.
Die Einlassöffnung 43 der Einlassvorrichtung 40 ist oberhalb des Werkstücks 10 und des z-Achssystems 35 angeordnet.
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Das Umluftsystem 12 fördert durch die Vorrichtung 6 zum Temperieren und Fördern das gasförmige Fluid 7, bzw. die Prozessluft, die bevorzugt ein Schutzgas ist, über den Kanal 41 der Einlassvorrichtung 40 in die Anschlussvorrichtung 42, die über die Einlassöffnung 43 mit der Baukammer 2 verbunden ist, in die Baukammer 2. Die aus der Einlassöffnung 43 ausströmende Prozessluft 7 strömt in die Baukammer 2 und verteilt sich in dieser homogen. Beim Absaugen strömt die Prozessluft 7 über das sich auf dem Substratträger 4 angeordnete Werkstück 10 hinweg zu den Ausnehmungen 51 der Auslassvorrichtung 50. Das Umluftsystem 12 sorgt für einen bedarfsgerechten Zu- und Abstrom der Prozessluft 7, wobei die Prozessluft 7 über die Auslassvorrichtung 50 aus der Baukammer 2 abgeführt wird. Durch das Umluftsystem 12 wird eine Optimierung der Temperierung der Baukammer 2 erreicht.
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Die Einlassöffnung 43 der einen Anschlussvorrichtung 42 ist zentral über dem Werkstück 10 angeordnet.
Die Integration der Auslassvorrichtung 50 in dem Gehäuse 36 des z-Achssystems 35 ermöglicht es, dass die Auslassvorrichtung 50 in der z-Höhe der Achse 35 verstellbar ist und somit eine optimierte Abfuhr der Prozessluft 7 für das Umluftsystem 12 gewährleistet ist.
Durch diese spezielle Anordnung der Komponenten 40, 50 des Umluftsystems wird die Baukammer 2 zusammen mit dem Werkstück 10 konstant temperiert.
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Die Anordnung der Ausnehmungen 51 der Auslassvorrichtung 50 in dem Gehäuse 36 des z-Achssystems 36 unterhalb der Aufnahmevorrichtung 4 gewährleistet, dass der Luftstrom der Prozessluft 7 durch die z-Achse 35, bzw. durch das Gehäuse 36 der z-Achse 35 geführt wird, wodurch diese mit temperiert wird. Der Drucker 1 weist nur noch ein zentrales z-Achssystem 35 auf.
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Die Vorrichtung 6 zum Temperieren und Fördern der Prozessluft 7 ist regelbar, so dass der Luftstrom und/oder die Temperatur der Prozessluft in Abhängigkeit des Werkstücks 10 und des geforderten Herstellungsprozesses einstellbar ist. Die zentrale Anordnung der Anschlussvorrichtung 42 der Einlassvorrichtung 40 sorgt in Verbindung mit der Anordnung der Auslassvorrichtung 50 für einen Luftein- und ausstrom, der je nach Werkstück 10 angepasst werden kann.
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Wesentlich ist die zentrale Abfuhr bzw. das zentrale Ansaugen der Prozessluft 7 unterhalb der Baukammer 2, wodurch ein Luftstrom ermöglicht wird, der eine homogene Temperaturführung ergibt und gleichzeitig in derselben Baugruppe wie die Höhenverstellung der Aufnahmevorrichtung 4 für das Werkstück 10, bzw. des Substratträgers erfolgt. Gleichzeitig wird die Teleskopachse der z- Achse 35 temperiert.
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Das Umluftsystem 12 bildet einen geschlossenen Kreislauf aus.
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4 zeigt eine Ansicht einer Weiterbildung der ersten Ausführungsform aus 3 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks 10. Der Aufbau des Druckers 1 mit dem Umluftsystem 12 entspricht dem des in 3 gezeigten. Zusätzlich ist in dieser Ausführung die Einlassöffnung 43 der Einlassvorrichtung 40 zur Aufnahme austauschbarer Einlassformen 44 geeignet, wobei die Einlassformen 44 je nach Werkstückgeometrie des Werkstücks 10 unterschiedliche Geometrien, bzw. Öffnungsgeometrien aufweisen. In dieser Ausführung weist die Einlassöffnung 43 eine rechteckige Öffnungsgeometrie auf. Die Öffnungsgeometrie der Einlassformen 44 ist je nach Bauteilgröße anpassbar, so dass eine optimale Temperierung der Baukammer 2 möglich ist. Die Form der Einlassform 44, bzw. des Ein- und Auslasses kann variieren (siehe 5). Die Einlassform 44 kann somit verschiedene Luftschlitzformen aufweisen.
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5 zeigt verschiedene Schnittzeichnungen von Einlassformen 44 der Einlassöffnung 43 der Einlassvorrichtung 40. Die Einlassform 44 kann variieren und beispielsweise aus einem langen abgerundeten Schlitz 45 (5c) bestehen, oder aus vielen kleinen Löchern 46 (5d).
Bei der Auswahl der Geometrie kommt es beispielsweise auf das Ergebnis von entsprechenden Strömungssimulationen an, wodurch es möglich ist, eine optimale Form zu wählen.
Alternativ zu einer einstückig ausgebildeten Einlassform 44, 45, 46, ist es möglich mehrere Einlässe 47 in einer Einlassform 44 zu platzieren (5e).
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6 zeigt eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks 10. Der Grundaufbau des Druckers 1 entspricht dem des zu 3 beschriebenen Ausführungsbeispiels, wobei die Anschlussvorrichtung 42 mit der Einlassöffnung 43 an dem Druckkopf 3 angeordnet ist. Die Prozessluft 7 gelangt somit zentral über dem Werkstück 10 in die Baukammer 2 und umströmt beim Absaugen durch das Umluftsystem 12 das Werkstück 10. Die Prozessluft 7 kann dabei direkt durch den Druckkopf 3 geleitet werden oder an diesem vorbei. Dabei wird die Prozessluft 7 direkt zum Werkstück 10 geleitet.
