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Die Erfindung betrifft eine Fülleinrichtung zum Füllen von Pulver in ein Pulverbett.
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Bei generativen Fertigungsverfahren, die umgangssprachlich auch als 3D-Druck bezeichnet werden, werden unter anderem Pulverwerkstoffe zur Erstellung von Bauteilen eingesetzt. Der jeweilige Pulverwerkstoff wird in einem Pulverbett flach ausgebreitet bereitgehalten. Durch computergesteuertes selektives Laserschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen, Lasersintern oder dgl. werden Pulverpartikel des Pulverbetts – einem computergenerierten Muster folgend – schichtweise derart miteinander verbunden, dass das gewünschte Bauteil entsteht.
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Hierzu wird die Oberfläche des Pulverbettes mit einem Laser- oder Elektronenstrahl abgetastet bzw. abgescannt. Dort, wo der Strahl auftrifft, kommt es zu einer Verschmelzung bzw. Versinterung der Pulverpartikel. Im Regelfall können nur Partikel der obersten Pulverschicht vom Strahl erreicht und dadurch miteinander und mit dem darunter befindlichen Zwischenergebnis vorangegangener Arbeitsschritte verschweißt oder versintert werden. Nach jedem einzelnen Schichtaufbau muss deshalb eine neue, frische Pulverschicht in das Pulverbett eingebracht werden. Hierzu wird üblicherweise eine bestimmte Pulvermenge lose eingefüllt und mit einer Rakel derart glatt gestrichen, dass das Pulverbett eine insgesamt ebene Oberfläche erhält. Diese ebene Oberfläche des Pulverbettes wird dann mit dem Laser- oder Elektronenstrahl im gewünschten Muster abgetastet bzw. abgescannt, bis der Bauteilrohling um eine weitere Materialschicht ergänzt ist. Hieran schließen sich so oft weitere Schritte aus Nachfüllung des Pulverbettes und Oberflächenbestrahlung an, bis das Bauteil in seinen sämtlichen Schichten fertiggestellt ist.
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Aus obiger Zusammenfassung ist ersichtlich geworden, dass in Folge der selektiven Bestrahlung ein nur geringer Pulveranteil verschmolzen bzw. versintert wird, während der übrige Anteil des Pulvers ungenutzt bleibt. Insgesamt entsteht ein hoher Pulververbrauch, der je nach Materialart zu einem erheblichen Kostenfaktor wird. Eine Weiter- bzw. Wiederverwendung des ungenutzten Pulveranteils ist nicht oder nur eingeschränkt möglich, da der Schweiß- bzw. Sintervorgang zu einer Verunreinigung des gesamten Pulverbettes führt. Es sind deshalb aufwändige Reinigungs- bzw. Recycling-Maßnahmen erforderlich, sofern diese überhaupt technisch möglich und wirtschaftlich sinnvoll sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen effizienteren Pulvereinsatz zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Fülleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Füllsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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Nach der Erfindung ist eine Fülleinrichtung zum Füllen von Pulver in ein Pulverbett vorgesehen, welche eine Steuereinheit und mehrere in einer Reihe angeordnete Vibrationsfüller umfasst. Die Vibrationsfüller umfassen ihrerseits getrennt voneinander je einen Pulvertrichter mit einer Auslassöffnung und einen auf den Pulvertrichter einwirkenden Vibrationsantrieb. Die Steuereinheit ist dazu ausgelegt, die Vibrationsantriebe der einzelnen Vibrationsfüller bedarfsabhängig und unabhängig voneinander anzusteuern.
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Die Bereiche der Auslassöffnungen der Pulvertrichter sind derart an die Materialeigenschaften des Pulvers angepasst, dass im Ruhezustand das Pulver nicht selbsttätig aus dem jeweiligen Pulvertrichter austritt. Sobald aber der jeweilige Pulvertrichter mittels seines Vibrationsantriebes in vibrierende Bewegung gesetzt wird, werden die Haltekräfte zwischen den Pulverpartikeln überwunden. Es tritt eine Fluidisierung des Pulvers ein, so dass es ähnlich einem Fließvorgang durch die jeweilige Auslassöffnung austritt und als Pulvereintrag in das Pulverbett rieselt. Sobald der Vibrationsantrieb abgeschaltet wird und der jeweilige Pulvertrichter zur Ruhe kommt, hört auch der Fließvorgang auf. In Folge des unmittelbaren Zusammenhangs zwischen Vibration und Pulvereintrag lässt sich eine quasi punktgenaue Pulververteilung im Pulverbett entlang der Reihe von Vibrationsfüllern erzielen.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung weist der Pulvertrichter in Schwerkraftrichtung nach oben eine offene Seite auf. Oberhalb des Pulvertrichters ist ein vom Pulvertrichter getrennter Pulvervorratsbehälter mit einem Pulvernachfüllkanal angeordnet, wobei der Pulvernachfüllkanal von oben in die offene Seite des Pulvertrichters hineingeführt ist. Der untere Rand des Pulvernachfüllkanals gibt den Pulverfüllpegel im Pulvertrichter vor. Diejenigen Pulvermengen, die aus den Auslassöffnungen entnommen werden, werden unmittelbar und selbsttätig aus dem Pulvervorratsbehälter nachgespeist. Ohne dass irgendeine Einflussnahme erforderlich wäre, und unabhängig von der Menge des entnommenen Pulvers bleibt im Pulvertrichter immer eine konstante Füllhöhe bestehen. Letztere führt dazu, dass auch die Ausfließbedingungen an den Auslassöffnungen immer konstant sind. Es herrscht ein gleichbleibender Zusammenhang zwischen Vibrationslevel bzw. Vibrationsdauer und ausgebrachter Pulvermenge. Dies erlaubt mit einfachen Mitteln eine zuverlässige Steuerung der gewünschten Pulververteilung im Pulverbett.
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Es kann zweckmäßig sein, die jeweiligen Auslassöffnungen mit einem freien Querschnitt auszustatten. Bevorzugt ist jedoch im unmittelbaren Bereich der Auslassöffnung ein Rückhaltesieb angeordnet. Durch Wahl der Maschenweite des Rückhaltesiebes lassen sich die Rückhalte- und Durchflusseigenschaften genau einstellen, während die Auslassöffnung in ihrer Form und Größe völlig unabhängig davon frei an die Anforderungen der Pulververteilung angepasst werden kann.
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Für die Vibrationsantriebe kommen verschiedene Techniken in Betracht. Es kann sich um Exzentervibratoren oder um induktiv angetriebene Vibratoren handeln. Zweckmäßigerweise ist der Vibrationsantrieb als Piezoantrieb ausgebildet. Dies erlaubt mit geringem Aufwand eine präzise Einstellung aller relevanten Vibrationsparameter einschließlich Frequenz, Schwingform und Amplitude bei hoher Wiederholgenauigkeit, ohne dass nennenswerte Ein- oder Ausschwingphasen mit zu berücksichtigen wären.
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Die Auslassöffnungen können verschiedene geeignete Formen haben und in verschiedener Weise angeordnet sein. So ist es zum Beispiel möglich, eine Reihe von kreisrunden Öffnungen in je einem Vibrationsfüller anzuordnen, wobei sich dann die einzelnen Reihen zu einer Gesamtreihe ergänzen. Bevorzugt sind die Auslassöffnungen schlitzförmig ausgebildet und in einer Reihe liegend angeordnet. Hierdurch lässt sich eine ungestört durchgängige Schüttungslinie mit einem stetigen, lückenfreien Füllhöhenverlauf erzielen.
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Das erfindungsgemäße Füllsystem umfasst die vorgenannte Fülleinrichtung, ein Pulverbett sowie Verteilmittel für das in das Pulverbett eingefüllte Pulver, wobei die Reihe von Vibrationsfüllern in einer Längsrichtung verläuft, und wobei die Verteilmittel dazu ausgelegt sind, das eingefüllte Pulver in einer quer zur Längsrichtung verlaufenden Verteilrichtung zu verteilen.
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In einem zugehörigen erfindungsgemäßen Verfahren werden insbesondere anhand des Computermodells des zu fertigenden Bauteiles der Pulverbedarf und dessen Verteilung über der Arbeitsfläche vorausberechnet. Hiervon abhängig, also bedarfsabhängig erfolgt eine voneinander unabhängige Ansteuerung der Vibrationsantriebe der einzelnen Vibrationsfüller, so dass eine ungleichmäßig verteilte Auffüllung des Pulverbettes mit Pulver erfolgt: An Orten mit erhöhtem Pulverbedarf wird lokal mehr Pulver und an Orten mit geringerem Pulverbedarf wird lokal weniger Pulver eingefüllt. Einerseits kann so sichergestellt werden, dass an jedem Ort ausreichend Pulver für den nachfolgenden Schweiß- oder Sintervorgang vorhanden ist, während andererseits die Überschussmengen an Pulver abseits des tatsächlich durchgeführten Schweiß- oder Sintervorgangs auf ein Minimum reduziert werden können. Die vorhandene Pulvermenge wird effizienter eingesetzt. Reinigungs- und Recyclingaufwand werden verringert. Insgesamt sind deutlich reduzierte Materialkosten erreichbar.
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Als Verteilmittel kommen verschiedene Ausführungen in Betracht. So ist es beispielsweise im Rahmen der Erfindung möglich, die Reihe von Vibrationsfüllern auf einem Portal beweglich anzuordnen. Die Pulververteilung über die Fläche des Pulverbettes kann dann durch koordinierte Bewegung des Portals und Ansteuerung der Vibrationsantriebe herbeigeführt werden. In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung sind die Verteilmittel als beweglich angetriebene Rakel ausgebildet. Hierbei können der mechanische Aufbau und auch die Ansteuerung sehr einfach gehalten werden: Die Reihe von Vibrationsfüllern bleibt ortsfest und erzeugt zunächst nur in einer Richtung, nämlich in Richtung der Reihe eine bedarfsabhängige Pulververteilung. Letztere wird dann mittels der Rakel in der senkrecht dazu liegenden Verteilrichtung verteilt, so dass zumindest eine ausreichende Annährung der Pulververteilung an den tatsächlichen Pulverbedarf entsteht.
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Das erfindungsgemäße Füllsystem kann überall dort eingesetzt werden, wo eine gezielte Pulververteilung in einem Pulverbett angestrebt wird. Bevorzugt ist das Füllsystem Teil eines pulverbasierten 3D-Druckers. Hier kommen die eingangs geschilderten Vorzüge besonders deutlich zum Tragen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
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1 in einer perspektivischen Schemadarstellung ein erfindungsgemäßes Füllsystem mit einer Steuereinheit und mit mehreren, hier beispielhaft drei in einer Reihe angeordneten und unabhängig voneinander ansteuerbaren Vibrationsfüllern,
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2 in einer Querschnittsdarstellung die Anordnung nach 1 im Bereich eines einzelnen Vibrationsfüller mit Pulvervorratsbehälter, Pulvertrichter, Auslassöffnung und Vibrationsantrieb, und
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3 in einer Frontansicht die Anordnung nach den 1 und 2 beim Erzeugen eines gezielt ungleichmäßig gefüllten Pulverbettes.
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1 zeigt in einer perspektivischen Schemadarstellung ein erfindungsgemäßes Füllsystem mit einer Fülleinrichtung 1 oberhalb eines in 3 näher dargestellten Pulverbetts 3 sowie mit Verteilmitteln 13 für in das Pulverbett 3 eingefülltes Pulver 2. Das gezeigte Füllsystem ist Teil eines pulverbasierten 3D-Druckers, bei dem durch computergesteuertes selektives Laserschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen, Lasersintern oder dgl. Pulverpartikel des Pulverbetts 3 – einem computergenerierten Muster folgend – schichtweise derart miteinander verbunden werden, dass ein gewünschtes, hier zur besseren Übersicht nicht dargestelltes Bauteil entsteht. Das erfindungsgemäße Füllsystem kann aber auch in anderen technischen Bereichen zur selektiven Befüllung eines Pulverbetts 3 eingesetzt werden.
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Die Fülleinrichtung 1 dient zum Einfüllen von Pulver 2 in das Pulverbett 3. Hierzu umfasst sie eine Steuereinheit 4 und mehrere, hier beispielhaft drei in einer Reihe angeordnete Vibrationsfüller 5. Die Reihe der Vibrationsfüller 5 erstreckt sich in einer durch einen Doppelpfeil angegebenen Längsrichtung 14. Senkrecht dazu liegt eine weiter unten näher beschriebene, durch einen Doppelpfeil angegebene Verteilrichtung 15. Innerhalb der sich in der Längsrichtung 14 erstreckenden Reihe liegen die Vibrationsfüller 5 auf einer Linie. Es kann aber auch zweckmäßig sein, dass einzelne oder alle Vibrationsfüller 5 in der Verteilrichtung 15 einen Versatz zueinander aufweisen.
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Die einzelnen Vibrationsfüller 5 weisen getrennt voneinander je einen Pulvertrichter 6 mit je einer Auslassöffnung 7 sowie je einen auf den jeweiligen Pulvertrichter 6 einwirkenden Vibrationsantrieb 8 auf. Im gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Pulvertrichter 6 in Schwerkraftrichtung nach oben mit jeweils einer offenen Seite 9 versehen. Oberhalb der Pulvertrichter 6 ist je ein vom Pulvertrichter 6 mechanisch getrennter Pulvervorratsbehälter 10 angeordnet. Es kann aber ein einziger zusammenhängender Pulvervorratsbehälter 10 zweckmäßig sein. Der oder die Pulvervorratsbehälter 10 sind korrespondierend zur Anzahl der Pulvertrichter mit einer entsprechenden Anzahl von Pulvernachfüllkanälen 11 versehen, wobei die Pulvernachfüllkanale 11 von oben in die korrespondierenden Öffnungen bzw. offenen Seiten 9 der jeweiligen Pulvertrichter 6 hineingeführt sind.
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Die Vibrationsantriebe 8 sind als Piezoantriebe ausgebildet, welche mechanisch fest mit den ihnen zugeordneten Pulvertrichtern 6 verbunden sind. Die Steuereinheit 4 ist an die einzelnen Vibrationsantriebe 8 angeschlossen und dazu ausgelegt, die Vibrationsantriebe 8 der einzelnen Vibrationsfüller 5 bedarfsabhängig und unabhängig voneinander anzusteuern. Bei Bedarf setzen die Vibrationsantriebe 8 die einzelnen Pulvertrichter 6 und mittels dieser auch das in den Pulvertrichtern 6 befindliche Pulver 2 in Schwingung. Zwischen den einzelnen Pulvertrichtern 6 existiert keine unmittelbare mechanische Verbindung, ebenso wenig wie zwischen den Pulvertrichtern 6 und den darüber befindlichen Pulvervorratsbehältern 10 samt ihrer Pulvernachfüllkanäle 11. Hierdurch wird erreicht, dass die einzelnen Pulvertrichter 6 samt ihrer Füllung aus Pulver 2 individuell und unabhängig voneinander in Vibration versetzt werden können.
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Mittels der Steuereinheit 4 wird außerdem der Betrieb der Verteilmittel 13 gesteuert. Die Verteilmittel 13 sind dazu ausgelegt, das eingefüllte Pulver 2 in einer quer zur Längsrichtung 14 verlaufenden Verteilrichtung 15 zu verteilen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfassen die Verteilmittel 13 eine in 1 schematisch angedeutete Rakel, welche sich in der Längsrichtung 14 über das Pulverbett 3 erstreckt und senkrecht dazu in der Verteilrichtung 15 verfahrbar ist. Einzelheiten hierzu ergeben sich weiter unten im Zusammenhang mit 3.
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2 zeigt in einer Querschnittsdarstellung die Anordnung nach 1 im Bereich eines einzelnen Vibrationsfüllers 5 mit zugehörigem Pulvervorratsbehälter 10, Pulvertrichter 6 und Vibrationsantrieb 8. Es ist zu erkennen, dass der Pulvernachfüllkanal 11 von oben in die offene Seite des Pulvertrichters 6 hineinragt, ohne den Pulvertrichter zu berühren. Der Vibrationsantrieb 8 ist auf einer Seite fest gelagert und auf der gegenüberliegenden Seite mit dem Pulvertrichter 6 verbunden, um diesen bei Bedarf samt des darin befindlichen Pulvers 2 bei ruhig bleibendem Pulvervorratsbehälter 10 in Schwingung zu versetzen. Die Baueinheit aus Pulvervorratsbehälter 10 und Pulvernachfüllkanal 11 ist ebenfalls fest und unbeweglich gelagert und mangels Verbindung zum Pulvertrichter 6 von diesem vibrationsentkoppelt.
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Der Pulvertrichter 6 weist in Schwerkraftrichtung unten eine Auslassöffnung 7 auf, durch die das Pulver 2 bei Bedarf austreten kann. Im unmittelbaren Bereich der Auslassöffnung 7, hier innenseitig der Auslassöffnung 7 ist ein optionales Rückhaltesieb 12 angeordnet. Der Bereich der Auslassöffnung 7, hier das Rückhaltesieb 12 ist an die Eigenschaften des Pulvers 2 derart angepasst, dass zwei Ziele erreicht werden. Zum einen wird in Ruhe befindliches Pulver 2 aufgrund seiner Hafteigenschaften an der Auslassöffnung 7 zurückgehalten und am Austritt gehindert. Beim Betrieb der Vibrationsantriebe 8 wird jedoch das im Pulvertrichter 6 befindliche Pulver 2 in Folge der auftretenden Vibrationen fluidisiert, so dass es zum anderen selbsttätig aus der Auslassöffnung 7 quasi fließend austritt.
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Der Querschnitt des Pulvernachfüllkanals 11 ist derart groß bemessen, dass das im Pulverorratsbehälter 10 befindliche Pulver 2 durch den Pulverkanal 11 hindurch auch ohne die oben genannte Fluidisierung nachfließen kann. Hierbei fließt Pulver 2 von oben solang nach, bis sich im Pulvertrichter 6 ein Füllstand auf Höhe der unteren umlaufenden Kante des Pulvernachfüllkanals 11 einstellt. Sofern dieser Füllstand erreicht ist, kommt das Nachfließen von oben selbsttätig zum Erliegen. Sinkt jedoch der Füllstand im Pulvertrichter 6 ab, fließt von oben erneut und selbsttätig Pulver 2 in einer solchen Menge nach, dass der Füllstand auf ungefährer Höhe der unteren umlaufenden Kante des Pulvernachfüllkanals 11 aufrecht erhalten bleibt. Mittels des Vibrationsantriebes 8 kann also in beliebiger Menge Pulver 2 aus der Auslassöffnung 7 ausgelassen und in das Pulverbett 3 (1, 3) eingefüllt werden, während der Füllstand des Pulvers 2 im Pulvertrichter 6 quasi konstant bleibt. Damit herrschen an der Auslassöffnung 7 quasi konstante Bedingungen für den Pulverausstoß.
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3 zeigt in einer Frontansicht die Anordnung nach den 1 und 2 beim Erzeugen eines gezielt ungleichmäßig gefüllten Pulverbettes 3. Zunächst ist erkennbar, dass die Auslassöffnungen 7 als Schlitze ausgebildet sind, die sich jeder für sich in der Längsrichtung 14 erstrecken. Außerdem sind die Schlitze in einer in der Längsrichtung 14 verlaufenden Reihe liegend angeordnet. Da sich die einzelnen Schlitze darüber hinaus über den größeren Teil der Breite der einzelnen Pulvertrichter 6 erstrecken, während die Pulvertrichter 6 in der Längsrichtung 14 dicht an dicht nebeneinander angeordnet sind, ergänzen sich die schlitzförmigen Auslassöffnungen 7 zu einer quasi durchgehenden Reihe. Durch bedarfsabhängigen, voneinander jedoch unabhängigen Betrieb der einzelnen Vibrationsfüller 5 kann nun eine in der Längsrichtung 14 sich erstreckende Reihe von Pulver 2 in das Pulverbett 3 eingefüllt werden. Diese Reihe von Pulver 2 weist einen bedarfsabhängig in der Längsrichtung 14 variierenden, ansonsten aber sprung- und lückenfreien Höhenverlauf auf. Sobald dieser gewünschte Höhenverlauf hergestellt ist, erfolgt dessen Verteilung in der Verteilrichtung 15 (1) mittels der oben beschriebenen Rakel.
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Alternativ kann es auch zweckmäßig sein, dass die Verteilmittel 13 in einer beweglichen Ausführung der Reihe von Vibrationsfüllern 5 bestehen. Diese Reihe wird dann in der Verteilrichtung 15 (1) verfahren, wobei die Betätigung der Vibrationsfüller 5 mit der jeweils erreichten Vorschubposition seitens der Steuereinheit 4 koordiniert wird. Hierdurch ist sogar ein Füllhöhenverlauf im Pulverbett 3 einstellbar, der gleichermaßen in der Längsrichtung 14 und auch in der Verteilrichtung 15 bedarfsabhängig variiert.
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Insbesondere beim gezeigten Einsatz in einem pulverbasierten 3D-Drucker wird zunächst ein CAD-Modell des zu fertigenden Bauteils generiert. Anhand eines solchen Computermodells kann der Pulverbedarf bei der Fertigung und dessen Verteilung über der Arbeitsfläche vorausberechnet werden. Hiervon abhängig, also bedarfsabhängig erfolgt eine voneinander unabhängige Ansteuerung der Vibrationsantriebe 8 der einzelnen Vibrationsfüller 5, so dass eine bedarfsabhängige, im Regelfall ungleichmäßig verteilte Auffüllung des Pulverbettes 3 mit Pulver 2 entsprechend der Darstellung nach 3 erfolgt. Diese Auffüllung bzw. auch eine wiederkehrende Nachfüllung kann nach jedem einzelnen Schichtaufbau während des 3D-Druckvorganges bedarfsabhängig angepasst und dann ausgeführt werden.
