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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Austragungsvorrichtung für einen 3D-Drucker.
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Stand der Technik
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Ein 3D-Drucker für ein in seiner Viskosität veränderliches Material erhält eine feste Phase dieses Materials als Ausgangsmaterial, erzeugt daraus eine flüssige Phase und bringt diese flüssige Phase selektiv an den Stellen, die zu dem zu erzeugenden Objekt gehören, auf. Ein solcher 3D-Drucker umfasst einen Druckkopf, in dem das Ausgangsmaterial druckfertig aufbereitet wird. Das Material wird dabei über Kanäle in dem Druckkopf weiterbefördert.
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Weiterhin sind Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und der Arbeitsfläche, auf der das Objekt entstehen soll, vorgesehen. Dabei können entweder nur der Druckkopf, nur die Arbeitsfläche oder aber sowohl der Druckkopf als auch die Arbeitsfläche bewegt werden. Um den Austrag des Materials auf der Arbeitsfläche zu beeinflussen ist in der Regel ein Aktor im Druckkopf vorgesehen, welcher eine Kraft auf eine Dosierzone aufbringt.
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Aus der
WO 2018/086792 A1 ist ein Druckkopf für einen 3D-Drucker bekannt. Der Druckkopf weist eine Zuführung auf, über welche ein zu druckendes Rohmaterial dem Druckkopf zugeführt wird. In dem Druckkopf wird dieses Rohmaterial aufgeschmolzen und plastifiziert. Dieses aufgeschmolzene Material wird innerhalb des Druckkopfes zu einer Austrittsöffnung befördert, über die dieses Material auf einen Druckbereich aufgebracht wird.
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DE 10 2019 219 083 A1 offenbart eine Druckeinrichtung, umfassend eine Dosiervorrichtung zum Schmelzen und Plastifizieren eines zu druckendenden Materials und eine Austragungsvorrichtung, zum Drucken des über die Dosiervorrichtung bereitgestellten Materials. Die Dosiervorrichtung und die Austragungsvorrichtung sind getrennt voneinander angeordnet und miteinander verbindbar, wobei die Austragungsvorrichtung zur Aufnahme von Material zu der Dosiervorrichtung transportierbar und zum Verbinden der Austragungsvorrichtung mit der Dosiervorrichtung eine Düse der Austragungsvorrichtung und eine Koppelstelle der Dosiervorrichtung miteinander zur Anlage kommen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es eine Austragungsvorrichtung für einen 3D-Drucker zur Verfügung zu stellen, die das Drucken von qualitativ hochwertigen dreidimensionalen Objekten ermöglicht, wobei Material und/oder Objekteigenschaften eines druckbaren Materials eindeutig einer Austragungsvorrichtung zugewiesen werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der Erfindung wurde eine Austragungsvorrichtung für einen 3D-Drucker zur Aufnahme eines druckbaren Materials zur Herstellung eines aus dem druckbaren Material zu druckenden dreidimensionalen Objekts bereitgestellt.
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Die Austragungsvorrichtung kann auch als Kartusche, bzw. Druckkartusche bezeichnet werden. Die Austragungsvorrichtung kann über eine Dosiervorrichtung mit dem druckbaren Material befüllt werden, wodurch diese nach dem Befüllen mit dem Material zu einem Drucker, bzw. Druckkopf transportiert werden kann. Die Austragungsvorrichtung, bzw. Kartusche ermöglicht es in vorteilhafter Weise, dass das Material in der Kartusche während einer Lagerung oder eines Transports eine gleichbleibende Restfeuchte, bzw. Trockenheit behält. Auch kann das Material nicht verunreinigt werden und ein Eindringen von Feuchtigkeit wird vermieden.
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Erfindungsgemäß umfasst die Austragungsvorrichtung ein System zur Identifikation des druckbaren Materials und/oder des dreidimensionalen Objekts mit einer Markierungsvorrichtung, wobei die Markierungsvorrichtung an der Austragungsvorrichtung angeordnet ist.
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Die Materialeigenschaften, insbesondere beim Kunststoff-3D-Druck, haben einen großen Einfluss auf die Beschaffenheit und Funktion des fertigen Bauteils und der Druckprozess muss bezüglich verschiedener Ausgangsmaterialien entsprechend angepasst und validiert werden, um eine hohe Qualität des fertigen Bauteils zu gewährleisten.
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Die Identifikation des druckbaren Materials und/oder des dreidimensionalen Objekts gewährleistet, dass sich korrektes Material in der jeweiligen Austragungsvorrichtung befindet und/oder dass der Austragungsvorrichtung korrekte Objektdaten zugeordnet sind. Falsches Material oder falsche Objektdaten können so in vorteilhafter Weise erkannt werden, wodurch ein sicherer Druckprozess garantiert werden kann.
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Die Markierungsvorrichtung an der Austragungsvorrichtung ermöglicht in vorteilhafter Weise eine einfache Identifikation des druckbaren Materials und/oder des dreidimensionalen Objekts zur Austragungsvorrichtung.
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In einer Weiterbildung ist das System zur Identifikation derart ausgestaltet, dass Prozessdaten des druckbaren Materials und/oder des dreidimensionalen Objekts eindeutig der jeweiligen Austragungsvorrichtung zuzuordnen sind.
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Die Prozessdaten umfassen validierte Merkmale des Materials und/oder des Bauteils, die den Druck, bzw. die Druckqualität erhöhen.
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Die eindeutige Zuordnung der Prozessdaten des druckbaren Materials und/oder des dreidimensionalen Objekts zur jeweiligen Austragungsvorrichtung vereinfacht in vorteilhafter Weise die Identifikation des druckbaren Materials und/oder des dreidimensionalen Objekts zur Austragungsvorrichtung.
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In einer ersten Ausführung der Erfindung sind die Prozessdaten in einer Speichereinheit der Markierungsvorrichtung gespeichert, wobei die Speichereinheit an der Austragungsvorrichtung angeordnet ist.
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Die Speicherung der Prozessdaten auf einer Speichereinheit der Austragungsvorrichtung ermöglicht in vorteilhafter Weise eine direkte Zuordnung der Prozessparameter zur jeweiligen Austragungsvorrichtung. In vorteilhafter Weise können die Daten direkt von der Speichereinheit ausgelesen werden. Druckrelevante Merkmale befinden sich somit direkt an der Kartusche.
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In einer zweiten Ausführung der Erfindung sind die Prozessdaten in einem Netzwerk oder in einer Cloud gespeichert sind, wobei diese über einen auf der Markierungsvorrichtung hinterlegten Identifikations-Code dem jeweiligen druckbaren Material und/oder dem dreidimensionalen Objekt zuzuordnen sind. Die Speicherung der Prozessdaten in einem Netzwerk oder in einer Cloud ermöglicht in vorteilhafter Weise eine sichere Speicherung der Daten. Eine direkte Zuordnung der Prozessparameter zur jeweiligen Austragungsvorrichtung ist durch den auf der Markierungsvorrichtung hinterlegten Identifikations-Code möglich. In vorteilhafter Weise können die Daten ohne physischem Kontakt aus dem Netzwerk oder der Cloud geladen und gegebenenfalls bearbeitet werden.
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In einer Weiterbildung ist die Markierungsvorrichtung optisch oder über eine Empfängereinheit zur drahtlosen Kommunikation auslesbar. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise ein einfaches und sicheres Auslesen der Prozessdaten.
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In einer weiteren Ausführung umfasst die Markierungsvorrichtung einen QR-Code oder einen Barcode, wodurch die Austragsvorrichtung in vorteilhafter Weise einfach und sicher identifiziert werden kann.
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In einer weiteren Ausführung ist die Markierungsvorrichtung derart ausgestaltet, dass Prozessdaten über WLAN, RFID, NFC, Bluetooth oder LoRa übertragbar sind. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Markierungsvorrichtung der Austragungsvorrichtung mit entsprechenden Sender/Empfänger Einheiten kommunizieren kann.
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In einer Weiterbildung umfassen die Prozessdaten des druckbaren Materials spezifische Eigenschaften des Materials, wobei die spezifischen Eigenschaften des Materials den Degenerationsgrad und/ oder die Viskositätszahl und/ oder die Restfeuchte umfassen.
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Das Material ist somit in vorteilhafter Weise qualifiziert, insbesondere bezüglich seiner chemischen Eigenschaften. Die chemischen Eigenschaften des Materials werden im Vorfeld des Befüllens der Austragungsvorrichtung verifiziert und sichergestellt, um ein für den entsprechenden Druckprozess korrektes Material bereitzustellen. Ferner ist es der Zustand des Materials bezüglich seines Degenerationsgrad oder der Viskositätszahl zu beurteilen, um einen stabilen Druckprozess zu gewährleisten. Weitere Materialeigenschaften können der Trocknungsgrad oder die Restfeuchte des Materials sein. Bei Mehrkomponentenmaterial ist die Glasfaserverteilung zu berücksichtigen.
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In einer Weiterbildung umfassen die Prozessdaten des dreidimensionalen Objekts spezifische Eigenschaften des dreidimensionalen Objekts, wobei die spezifischen Eigenschaften des dreidimensionalen Objekts zumindest Bewegungsprofile zur Herstellung des dreidimensionalen Objekts umfassen. Weitere validierte Prozessdaten ergeben sich aus dem Druck von Prototypen und Testdrucken mit entsprechenden Materialien, wodurch Druckdaten gesammelt und beispielsweise bezüglich der resultieren Druckergebnisse ausgewertet werden. Diese Daten umfassen Parameter für die Prozessdaten bezüglich des Materials und des zu druckenden Bauteils, wie beispielsweise die Drucktemperatur und Bewegungsprofile. Ferner können validierte Prozessdaten wie ein möglicher Längenausgleich der Austragungsvorrichtung, bzw. der Kartusche aufgrund der Druckkraft und/oder die Schwindung des Materials beim Extrudieren die Druckqualität steigern.
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Die Austragungsvorrichtung weist einen Austragungskörper, einen Austragungskolben und eine Öffnung auf. Der Austragungskörper bildet das Gehäuse der Austragungsvorrichtung und ist derart ausgestaltet, dass es einen Temperaturübertrag von einer Heizung und/oder Mikrowellen in das Material zulässt, wodurch dieses aufgeschmolzen und zum Drucken bereitgestellt werden kann.
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Der Austragungskolben ist in einer Ausführung der Kolben zum Aufbringen der Druckkraft zum Austragen des Materials aus der Öffnung.
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In einer weiteren Ausführung ist der Austragungskolben der Verschluss der Austragungsvorrichtung und sorgt für eine sichere Befüllung der Austragungsvorrichtung mit dem druckbaren Material und einen sicheren Transport. Dieser Verschlusskolben wird beim Drucken durch einen Kolben des Druckers ersetzt.
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Die Öffnung kann in einer Ausführung die Düse des Druckers sein und in einer weiteren Ausführung können Düsenkörper mit unterschiedlichen Geometrien an der Öffnung angeordnet werden.
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Die Austragungsvorrichtung ist derart ausgestaltet, dass das Material nach dem Befüllen luftdicht in der Austragungsvorrichtung gespeichert werden kann. Dies kann durch einen Verschluss an der Öffnung erfolgen oder durch ein gezieltes Aushärten des Materials an der Öffnung.
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Die Austragungsvorrichtung, bzw. Kartusche wird in vorteilhafter Weise mit aufgeschmolzenem oder verdichtetem Granulat gefüllt. Die der Kartusche zugeordneten Prozessdaten bilden das material- und/oder bauteilabhängige Druckrezept für das entsprechende Drucksystem. Die Kartuschen können in vorteilhafter Weise eindeutig zugeordnet werden und entsprechend dem Drucksystem eines Kunden und dem entsprechenden Material eingesetzt werden.
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Die eindeutig identifizierbare und kodierte Austragungsvorrichtung unterstützt den Nutzer bei der Verhinderung von Produktpiraterie und der Herstellung von Plagiaten. Ferner ermöglicht die erfindungsgemäße Austragungsvorrichtung das Einbinden eines Drucksystems in das „Internet of Things“ und bietet Vorteile bezüglich der digitalisierten Fertigung in der „Industrie 4.0“ unter Beibehaltung von Qualität und entsprechenden Fertigungsstandards.
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Die Digitalisierung des Drucksystems ermöglicht das Sammeln von Daten innerhalb einer Fertigungsplattform und ermöglicht in vorteilhafter Weise die Analyse von Prozessdaten, bzw. Druckerdaten bezüglich ihrer aktuellen und zukünftigen Anwendung.
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Ferner bietet die erfindungsgemäße Austragungsvorrichtung den Vorteil, dass ein oder mehrere Bauteile, bzw. Produkte auf der Kartusche gespeichert sein können. Diese kann der Kunde in seinem Drucker abrufen und drucken. Die Benutzerfreundlichkeit wird dadurch in vorteilhafter Weise stark erhöht und die Qualifizierung des Materials und des Druckprozesses wird stark vereinfacht. Dadurch müssen nicht mehr einzelne Bauteile auf Vorrat gefertigt, gelagert, vermessen und verschickt werden, sondern nur noch die Austragungsvorrichtungen, bzw. die Kartuschen mit den nötigen hinterlegten Daten. Dies ist insbesondere dann von großem Interesse, wenn die Stückzahlen sehr gering sind und eine hohe Varianz der Bauteile vorliegt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 Beispiel einer Vorrichtung während einer Befüllung einer Austragungsvorrichtung nach Stand der Technik,
- 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Austragungsvorrichtung,
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Austragungsvorrichtung,
- 4 einen 3D-Drucker mit einer Austragungsvorrichtung und
- 5 ein Beispiel für ein Objekt.
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1 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung 20 zur Bereitstellung eines zu druckenden Materials 38 aus dem Stand der Technik während einer Befüllung einer Austragungsvorrichtung 14. Die 1 ist dabei in einer Schnittansicht der Vorrichtung 20 gezeigt. Die Vorrichtung 20 weist zusätzlich zu der Austragungsvorrichtung 14 eine Dosiervorrichtung 18 auf. Die Dosiervorrichtung 18 ist dabei gebildet aus einem Grundkörper 22 an welchem ein Einfülltrichter 26 angeordnet ist. In den Einfülltrichter 26 ist ein Rohmaterial 30 einfüllbar, welches in fester Form, insbesondere in als Granulat vorliegt. Der Einfülltrichter 26 ist direkt verbunden mit einem durch den Grundkörper 22 gebildeten Dosierraum 34. In diesem Dosierraum 34 wird das Rohmaterial 30, zur Bildung eines druckfähigen Materials 38, aufgeschmolzen und plastifiziert.
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Der Dosierraum 34 weist eine seitliche Dosierkolbenöffnung 42 auf. In dieser Dosierkolbenöffnung 42 ist ein Dosierkolben 46 angeordnet, welcher in den Dosierraum 34 hineinragt. Über den Dosierkolben 46 kann eine Dosierkolbenkraft FD auf das Material 38 in dem Dosierraum 34 aufgebracht werden, so dass dieses in Richtung einer der Dosierkolbenöffnung 42 gegenüber liegenden Dosierförderöffnung 50 pressbar ist.
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An der Dosierförderöffnung 50 weist die Dosiervorrichtung 18 ein Koppelelement 54 auf, welches einen Kanal 58 ausbildet, so dass das über die Dosierförderöffnung 50 ausgebrachte Material 38 an eine Koppelstelle 62 des Koppelementes 54 förderbar ist. An der Koppelstelle 62 ist die Austragungsvorrichtung 14 angeordnet, so dass diese Austragungsvorrichtung 14 das aufgeschmolzene Material 38 aufnehmen kann.
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Die Austragungsvorrichtung 14 weist einen Austragungskörper 66 auf, welcher einen Austragungsraum 70 ausbildet, in welchem aufgeschmolzenes Material 38 aufnehmbar ist. An einem mit der Koppelstelle 62 verbundenen Ende des Austragungskörpers 66 ist eine Düse 74 ausgebildet, über die das aufgeschmolzene Material 38 aufgenommen werden kann. Ebenso wird das Material 38 durch diese Düse 74 auf ein Werkstück (nicht gezeigt) aufgebracht.
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Innerhalb des Austragungsraums 70 ist ein Austragungskolben 78 angeordnet, über den das Material 38 ausgefördert werden kann. Oberhalb des Austragungskolben 78 ist ein Mittel 82 angeordnet, über welches während der Befüllung eine Kraft FF entgegen einer Befüllungsrichtung aufgebracht wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Mittel 82 als eine schematisch angedeutete Feder ausgeführt. Durch die auf den Austragungskolben 78 ausgeübte Kraft FF wird eine Befüllung der Austragungsvorrichtung 14 ohne Luft gewährleistet. Während des Befüllens wird der Austragungskolben 78 dabei in Richtung der Feder 82 verschoben.
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2 und 3 zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Austragungsvorrichtung 14 für einen in 4 dargestellten 3D-Drucker 2 zur Aufnahme eines druckbaren Materials 38 zur Herstellung eines aus dem druckbaren Material 38 zu druckenden dreidimensionalen Objekts 1, welches beispielhaft in 5 dargestellt ist. Erfindungsgemäß umfasst die Austragungsvorrichtung 14 ein System 5 zur Identifikation des druckbaren Materials 38 und/oder des dreidimensionalen Objekts 1 mit einer Markierungsvorrichtung 52, wobei die Markierungsvorrichtung 52 an der Austragungsvorrichtung 14 angeordnet ist. Der grundsätzliche Aufbau der Austragungsvorrichtung 14 entspricht dem Aufbau der Austragungsvorrichtung aus 1. In beiden Ausführungsbeispielen ist das System 5 zur Identifikation derart ausgestaltet, dass Prozessdaten 38', 1' des druckbaren Materials 38 und/oder des dreidimensionalen Objekts 1 eindeutig der jeweiligen Austragungsvorrichtung 14 zuzuordnen sind.
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Die Prozessdaten 38' des druckbaren Materials 38 umfassen spezifische Eigenschaften des Materials 38, wobei die spezifischen Eigenschaften des Materials 38 den Degenerationsgrad und/oder die Viskositätszahl und/oder die Restfeuchte umfassen.
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Die Prozessdaten 1' des dreidimensionalen Objekts 1 umfassen spezifische Eigenschaften des dreidimensionalen Objekts 1, wobei die spezifischen Eigenschaften des dreidimensionalen Objekts 1 zumindest Bewegungsprofile zur Herstellung des dreidimensionalen Objekts 1 umfassen.
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2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Austragungsvorrichtung 14, wobei die Prozessdaten 38', 1' in einer Speichereinheit 6 der Markierungsvorrichtung 52 gespeichert sind, wobei die Speichereinheit 6 an der Austragungsvorrichtung 14 angeordnet ist. Die Markierungsvorrichtung 52 ist über eine Empfängereinheit 55 zur drahtlosen Kommunikation auslesbar, wobei die Markierungsvorrichtung 52 derart ausgestaltet ist, dass Prozessdaten 38', 1' beispielsweise über WLAN, RFID, NFC, Bluetooth oder LoRa übertragbar sind.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Austragungsvorrichtung 14, wobei die Prozessdaten 38', 1' in einem Netzwerk 80 oder in einer Cloud 81 gespeichert sind, wobei diese über einen auf der Markierungsvorrichtung 52 hinterlegten Identifikations-Code 60 dem jeweiligen druckbaren Material 38 und/oder dem dreidimensionalen Objekt 1 zuzuordnen sind. Die Markierungsvorrichtung 52 ist optisch oder über eine Empfängereinheit 55 zur drahtlosen Kommunikation auslesbar, wobei die Markierungsvorrichtung 52 einen QR-Code oder einen Barcode umfasst.
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4 zeigt den 3D-Drucker 2 mit einer Austragungsvorrichtung 14 und in 5 ist ein Beispiel für das Objekt 1 in schematischer perspektivischer Zeichnung gezeigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2018086792 A1 [0004]
- DE 102019219083 A1 [0005]
