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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckkopf für 3D-Drucker zur selektiven lokalen Ausgabe der flüssigen Phase eines Ausgangsmaterials.
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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. 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.
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Typischerweise wird die flüssige Phase des Ausgangsmaterials durch Ausübung einer Kraft oder eines Drucks aus einer Austrittsöffnung herausgetrieben, so dass sie sich an dem herzustellenden Objekt anlagert und dort erstarrt. Die flüssige Phase des Ausgangsmaterials kann dabei wahlweise als kontinuierlicher Strang oder in Form einzelner Tropfen aus der Austrittsöffnung austreten. Bei festem Durchmesser der Austrittsöffnung ist die wichtigste Stellgröße während des Druckvorgangs die auf die flüssige Phase ausgeübte Kraft, bzw. der in diese flüssige Phase eingeleitete Druck. Die
US 2016/046 073 A1 offenbart, dass sich über den Druck unter anderem die von der Austrittsöffnung auf die flüssige Phase ausgeübte Scherkraft sowie die Viskosität der flüssigen Phase einstellen lassen.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der Erfindung wurde ein Druckkopf für einen 3D-Drucker entwickelt. Dieser Druckkopf enthält ein Reservoir zur Aufnahme einer flüssigen Phase eines in seiner Viskosität veränderlichen Ausgangsmaterials. Es sind Mittel zur Veränderung des Drucks p im Reservoir vorgesehen sind. Das Reservoir weist mindestens eine Austrittsöffnung auf, aus der die flüssige Phase des Ausgangsmaterials durch Erhöhung des Drucks im Reservoir in Richtung auf das herzustellende Objekt austreibbar ist.
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Erfindungsgemäß ist im Bereich der Austrittsöffnung ein Drucksensor für den Druck pL, und/oder ein Temperatursensor für die Temperatur TL der flüssigen Phase des Ausgangsmaterials, angeordnet.
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Es wurde erkannt, dass der Druck pL der primäre Parameter ist, der über den Massenstrom Q an Ausgangsmaterial aus der Austrittsöffnung entscheidet. Hierbei ist der Wert des Drucks pL an der Austrittsöffnung maßgeblich. Der an der Austrittsöffnung herrschende Druck pL kann sich deutlich von dem Druck p unterscheiden, der beispielsweise am anderen Ende des Reservoirs in die flüssige Phase des Ausgangsmaterials eingeleitet wird. Die meisten in 3D-Druckern verwendeten Materialien sind thermoplastisch und daher komprimierbar. Liegt beispielsweise der Durchmesser der Austrittsöffnung in der Größenordnung 100 µm, so dass Strukturen mit einer Genauigkeit von ± 50 µm gedruckt werden können, so sind hohe Drücke p um die 1500 bar erforderlich, um das Ausgangsmaterial durch die Austrittsöffnung zu treiben. Bei Drücken p in dieser Größenordnung ist die Komprimierbarkeit des Ausgangsmaterials in einem Maße relevant, dass eine Bestimmung des Massenstroms Q anhand eines weit entfernt von der Austrittsöffnung in das Ausgangsmaterial eingeleiteten Drucks p zu ungenau ist.
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Die funktionelle Angabe „im Bereich der Austrittsöffnung“ ist somit dahingehend zu verstehen, dass der Druck pL an dem Ort, an dem er von dem Drucksensor gemessen wird, sich von dem Druck p an der Austrittsöffnung nur so unwesentlich unterscheidet, dass dieser Unterschied noch eine Bestimmung des Massenstroms Q mit der für die jeweilige Anwendung geforderten Genauigkeit zulässt. Welche Entfernung des Drucksensors von der Austrittsöffnung maximal zulässig ist, richtet sich also sowohl nach der Genauigkeitsanforderung an die Bestimmung des Massenstroms Q als auch nach der Komprimierbarkeit, speziell nach dem Elastizitätsmodul, des Ausgangsmaterials.
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Selbst wenn der Druck pL in der einfachsten Ausführungsform gar nicht mehr im Hinblick auf den Massenstrom Q ausgewertet wird, ermöglicht seine Messung bzw. Überwachung bereits eine Qualitätskontrolle. Ist beispielsweise der Druck pL im Verlauf des Druckprozesses in gewissen Grenzen konstant geblieben, so kann dies als Signal dafür gewertet werden, dass der Druckprozess qualitativ vergleichsweise hochwertig ist. Starke Schwankungen im Druck pL können hingegen als Signal dafür gewertet werden, dass während des Druckprozesses Probleme aufgetreten sind. Somit kann das hergestellte Objekt beispielsweise als Ausschuss gekennzeichnet werden. Bei Unterschreiten einer bestimmten Mindestqualität kann der Druckprozess auch abgebrochen werden, um keine weitere Zeit und kein weiteres Ausgangsmaterial in ein nicht mehr zu rettendes Objekt zu investieren.
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Dies ist insbesondere beim Einsatz des 3D-Drucks in der industriellen Fertigung wichtig, wo eine Qualitätssicherungsstrategie in der Regel zwingend erforderlich ist, damit ein Fertigungsprozess zertifiziert werden kann.
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Nach dem bisherigen Stand der Technik gab es keine Möglichkeit, einen laufenden Druckvorgang als „gut“ oder „schlecht“ zu beurteilen, wenn die Mängel sich nicht augenscheinlich an der Form des Objekts zeigten. Insbesondere Festigkeitsmängel an einem Objekt, das augenscheinlich die gewünschte Form hat, ließen sich erst am fertigen Objekt, bzw. beim Versagen desselben im Gebrauch, feststellen.
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Eine zusätzliche Messung der Temperatur TL ermöglicht es, bei der Bestimmung des Massenstroms Q auch die Temperaturabhängigkeit der Viskosität des Ausgangsmaterials zu berücksichtigen. Für die Qualität des hergestellten Objekts ist die Kontrolle der Temperatur TL, insbesondere in Form einer konstanten und genauen Regelung, sogar wichtiger, um eine thermische Degradation des Ausgangsmaterials zu vermeiden. Insofern kann beispielsweise der Drucksensor bei einer günstigen Variante des Druckkopfes entfallen.
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Für die besagte Funktion des Drucksensors, und/oder des Temperatursensors, ist es unerheblich, aus welcher Quelle der Druckkopf die flüssige Phase des Ausgangsmaterials erhält. Das Ausgangsmaterial kann beispielsweise mit einer externen Heizquelle plastifiziert werden, und seine flüssige Phase kann dem Druckkopf zugeführt werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind jedoch eine Zuführung für eine feste Phase des Ausgangsmaterials und eine Plastifizierungszone mit einer Heizung zur Überführung der festen Phase des Ausgangsmaterials in die flüssige Phase vorgesehen. Dann befindet sich das Ausgangsmaterial nur für eine kurze Zeit im flüssigen Zustand, so dass es in geringerem Umfang thermisch degradiert.
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Die Zuführung kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, den Druck p im Reservoir durch Vorschub, und/oder durch Rückzug, der festen Phase des Ausgangsmaterials zu verändern. Beispielsweise kann bei einem 3D-Drucker nach dem FDM-Prinzip (Fused Deposition Modelling) die feste Phase des Ausgangsmaterials als Filament vorliegen. Wenn die Querschnittsgeometrien des Reservoirs und des Filaments so aufeinander abgestimmt sind, dass das feste Ende des Filaments das Reservoir dichtend begrenzt, dann wird durch den Vorschub des Filaments die flüssige Phase des Ausgangsmaterials aus der Austrittsöffnung gedrückt. Ebenso kann ein Unterdruck erzeugt werden, indem das Filament zurückgezogen wird.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Reservoir durch einen Kolben begrenzt. Der Druck im Reservoir ist dann durch Vorschub, und/oder durck Rückzug, des Kolbens veränderbar.
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Mit einem derartigen Kolbenextruder kann die Zuführung der festen Phase des Ausgangsmaterials von der Druckerzeugung im Reservoir entkoppelt werden, so dass der Druck im Reservoir ein unabhängiger Freiheitsgrad wird und insbesondere wesentlich höhere Drücke erzielt werden können. Bei FDM-Druckern mit Filament sind etwa 50-100 bar möglich, mit einem Kolbenextruder hingegen auch 1500 bar oder mehr.
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Dies wird damit erkauft, dass ein Kolbenextruder zyklisch arbeitet. Wenn die flüssige Phase des Ausgangsmaterials durch Vorschub des Kolbens aus der Austrittsöffnung extrudiert wird, wird der Kolben irgendwann eine vordere Endstellung erreichen. Der Kolben muss dann zurückgezogen werden, um neues festes Ausgangsmaterial nachzufüllen. Indem der Druck pL gemessen wird, kann nach dem Nachfüllen der zuvor verwendete Druck pL wieder exakt eingestellt werden. Dadurch wird zum einen vermieden, dass sich der Massenstrom Q ungewollt ändert und es insoweit im hergestellten Objekt zu Versetzungen kommt, d.h. dass man dem hergestellten Objekt ansieht, dass der Druckprozess für das Nachfüllen unterbrochen wurde. Zum anderen werden die Nebenzeiten des Nachfüllens vermindert.
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Vorteilhaft ist ein Wegmesssystem für den Vorschub und/oder Rückzug der festen Phase des Ausgangsmaterials, und/oder des Kolbens, vorgesehen. Alternativ oder auch in Kombination hierzu ist vorteilhaft ein Sensor für die von der festen Phase des Ausgangsmaterials, und/oder vom Kolben, ausgeübte Kraft FF, und/oder für einen auf den Kolben ausgeübten Hydraulikdruck, vorgesehen. Diese Einrichtungen können verwendet werden, um die durch die Austrittsöffnung extrudierte Menge an Ausgangsmaterial genau zu dosieren. In Verbindung mit der Messung des Drucks pL kann es hier insbesondere automatisch ausgeregelt werden, wenn das Ausgangsmaterial kompaktiert wird. Liegt die feste Phase des Ausgangsmaterials beispielsweise als Granulat vor, so kann beim Zusammendrücken einer Schüttung aus dem Granulat in einem Kolbenextruder die in der Schüttung enthaltene Luft entweichen. Der Kolben bewegt sich dann, ohne dass sich der Druck pL erhöht.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Drucksensor einen in das Reservoir geführten Stößel und einen außerhalb des Reservoirs angeordneten Kraftsensor, auf den der Stößel wirkt. Der Stößel kann insbesondere aus einem wärmeisolierenden Material, wie beispielsweise einer Keramik, sein. Auf diese Weise wird der Kraftsensor von der hohen Temperatur in der flüssigen Phase des Ausgangsmaterials entlastet und somit geschont.
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Insbesondere piezoelektrische Sensoren sind temperaturempfindlich. Sie depolarisieren bei zu starker Erwärmung.
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Wenn der Stößel beweglich durch die Wand des Reservoirs geführt ist, entsteht prinzipiell ein Spalt. Ein solcher Spalt kann mit Dichtungen abgedichtet sein, wobei diese Dichtungen durch die flüssige Phase des Ausgangsmaterials stark temperaturbelastet sind. Derartige Dichtungen lassen sich aber vorteilhaft durch geeignete Konstruktion des Reservoirs entbehrlich machen, beispielsweise, indem das Reservoir gegen die Umgebung wärmeisoliert ist. Entlang des Verlaufs des Spalts vom Inneren des Reservoirs in die Umgebung gibt es dann einen Punkt, an dem das aus dem Inneren des Reservoirs eindringende flüssige Ausgangsmaterial so viskos wird, dass sein weiteres Vordringen gestoppt wird.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist am Druckkopf, und/oder an einem den Druckkopf enthaltenden 3D-Drucker, eine Auswerteeinheit vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, aus dem Druck pL, und/oder der Temperatur TL, eine Volumenzunahme ΔV+ der flüssigen Phase des Ausgangsmaterials bei Entspannung durch die Austrittsöffnung auszuwerten. Die Erfinder haben erkannt, dass es für die Genauigkeit der auf das herzustellende Objekt aufgebrachten Strukturen nicht maßgeblich ist, was genau an Material die Austrittsöffnung verlässt. Vielmehr ist maßgeblich, was auf dem herzustellenden Objekt ankommt. Da die Erfindung es ermöglicht, das Ausgangsmaterial mit wesentlich höheren Drücken durch kleine Austrittsöffnungen zu treiben als dies nach dem bisherigen Stand der Technik möglich war, wird die Volumenzunahme ΔV+ durch die Entspannung dieser hohen Drücke zu einem für die tatsächlich hergestellte Strukturgröße relevanten Effekt. Beispielsweise kann auf Veranlassung der Auswerteeinheit der Kolbenvorschub um einen Betrag vermindert werden, der zu der Volumenzunahme ΔV+ korrespondiert. Auf diese Weise kann beispielsweise auf dem herzustellenden Objekt ein Strang aus Ausgangsmaterial abgelegt werden, der 100 µm ± 5 µm Durchmesser aufweist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Auswerteeinheit zusätzlich dazu ausgebildet, aus der Temperatur TL eine Volumenschwindung ΔV- der flüssigen Phase des Ausgangsmaterials beim Erstarren nach dem Austritt aus der Austrittsöffnung auszuwerten. So kann beispielsweise auf dem Objekt ein Strang aus Ausgangsmaterial abgelegt werden, der zunächst einen Durchmesser von 105 µm hat und beim Erstarren exakt auf den gewünschten Durchmesser von 100 µm schrumpft.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Auswerteeinheit zusätzlich dazu ausgebildet, den Energiestrom E auszuwerten, den die durch die Austrittsöffnung hindurchtretende flüssige Phase des Ausgangsmaterials transportiert. Auf diese Weise kann der Wärmehaushalt im herzustellenden Objekt insgesamt überwacht werden, so dass weitere Druckstrategien und Bahnbewegungen des Druckkopfes angepasst werden können. Beispielsweise kann es bei der Herstellung eines ausgedehnten Objekts erforderlich sein, den Druckvorgang an einer Position zu unterbrechen und nach dem Verfahren des Druckkopfes an eine andere Position fortzusetzen. Wird der Energiestrom E ausgewertet, so kann beispielsweise erkannt werden, dass die Position, an der der Druckvorgang fortgesetzt werden soll, sich auf Grund thermischer Effekte verschoben hat und entsprechend zu reagieren ist. Hierbei kann insbesondere auch der Energieabfluss aus dem Objekt durch Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung berücksichtigt werden.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Auswerteeinheit zusätzlich dazu ausgebildet, den durch die Austrittsöffnung hindurchtretenden Massenstrom Q des Ausgangsmaterials unter Berücksichtigung des Vorschubs und/oder Rückzugs der festen Phase des Ausgangsmaterials, und/oder des Kolbens, und/oder aus der von der festen Phase des Ausgangsmaterials, bzw. vom Kolben, ausgeübten Kraft FF, auszuwerten. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Dosierung, und insbesondere der auf dem Objekt hergestellten Strukturgrößen, noch weiter verbessert werden.
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Damit die von den Sensoren gemessenen, bzw. von der Auswerteeinheit ausgewerteten, Größen sich letzten Endes in einer präziseren Fertigung von Strukturen des herzustellenden Objekts niederschlagen, können diese Größen insbesondere in eine aktive Prozessregelung zurückgekoppelt sein. Daher ist in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein Regler vorgesehen, der den Druck pL, und/oder die Temperatur TL, und/oder den durch die Austrittsöffnung hindurchtretenden Massenstrom Q, der flüssigen Phase des Ausgangsmaterials als Rückkopplung erhält und durch Einwirkung auf mindestens eine Stellgröße des Druckkopfes, und/oder des 3D-Druckers, auf einen Sollwert regelt.
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Geeignete Stellgrößen sind beispielsweise die Vorschubkraft, und/oder die Vorschubgeschwindigkeit, des Ausgangsmaterials, und/oder des Kolbens. Änderungen an diesen Größen sind am schnellsten auf den Druck pL wirksam. Sie wirken weiterhin auch vergleichsweise schnell auf die Temperatur TL, indem Ausgangsmaterial nicht von einer ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur gebracht werden muss, sondern teilweise durch Ausgangsmaterial auf einer zweiten Temperatur ersetzt wird. Ansonsten kann die Temperatur TL insbesondere durch Ansteuerung einer Heizung verändert werden, wobei die Wärmekapazität des Ausgangsmaterials, und/oder des Reservoirs, hier eine Trägheit in den Regelkreis einbringt.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- 1 3D-Drucker nach dem FDM-Prinzip als erstes Ausführungsbeispiel des 3D-Druckers 50 gemäß der Erfindung;
- 2 3D-Drucker mit Kolbenextruder als zweites Ausführungsbeispiel des 3D-Druckers 50 gemäß der Erfindung.
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Nach 1 wird dem 3D-Drucker 50 die feste Phase 31 des Ausgangsmaterials 3 als Filament zugeführt, das über eine aus zwei Zahnrädern bestehende Zuführung 11 angetrieben und in den Druckkopf 1 eingezogen wird. Die feste Phase 31 des Ausgangsmaterials 3 wird in die Plastifizierungszone 12 gedrückt, die mit der Heizung 13 versehen ist. In der Plastifizierungszone 12 bildet sich die flüssige Phase 32 des Ausgangsmaterials 3.
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Unterhalb der Plastifizierungszone 12 befindet sich das Reservoir 2, das mit einer Wärmeisolierung 15 versehen ist. Durch den Vorschub der festen Phase 31 des Ausgangsmaterials 2 wird ein Druck p in dem Reservoir 2 erzeugt. Die Zuführung 11 bildet somit zugleich die Mittel 4 zur Änderung des Drucks p im Reservoir 2.
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Das Reservoir 2 läuft im Bereich 5a der Austrittsöffnung 5 düsenartig zu. Das durch die Austrittsöffnung hindurchtretende Material 33 wird in Richtung auf das herzustellende Objekt 6 abgegeben, das auf einer mit einer Positioniereinheit 62 in den drei Raumrichtungen x, y und z verfahrbaren Grundplatte 61 aufgebaut wird. Das austretende Material 33 transportiert einen Massenstrom Q und einen Energiestrom E.
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Im Bereich 5a der Austrittsöffnung 5 sind ein Drucksensor 7 für den Druck pL und ein Temperatursensor 8 für die Temperatur TL der flüssigen Phase 32 des Ausgangsmaterials 3 angeordnet. Dabei besteht der Drucksensor 7 aus einem durch die Wärmeisolierung 15 in das Reservoir 2 geführten Stößel 71 und einem Kraftsensor 72, auf den der Stößel 71 wirkt. Der gemessene Druck pL und die gemessene Temperatur TL werden an eine Auswerteeinheit 9 weitergegeben. Die Auswerteeinheit 9 berechnet die Volumenzunahme ΔV+, die Volumenschwindung ΔV-, den Massenstrom Q sowie den Energiestrom E.
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2 zeigt einen weiteren 3D-Drucker 50, der einen Kolbenextruder aufweist. Die feste Phase 31 des Ausgangsmaterials 3 liegt als Granulat vor, das über einen Einfülltrichter 11 zugeführt wird. Wird der Kolben 21 im Druckkopf 1 zurückgezogen (in 2 nach oben), rieselt festes Ausgangsmaterial 31 aus dem Einfülltrichter 11 nach. Wird der Kolben 21 anschließend vorgeschoben (in 2 nach unten), wird das feste Ausgangsmaterial 31 in die mit der Heizung 13 versehene Plastifizierungszone 12 gedrückt. In der Plastifizierungszone 12 bildet sich die flüssige Phase 32 des Ausgangsmaterials 3.
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Das Reservoir 2 ist analog zu 1 aufgebaut und mündet in die Austrittsöffnung 5, aus der Ausgangsmaterial 33 ausgetragen wird, um sich am Objekt 6 auf der Grundplatte 61 anzulagern. Der Drucksensor 7 und der Temperatursensor 8 sind analog zu 1 aufgebaut und mit der Auswerteeinheit 9 verbunden. Im Unterschied zu 1 wird der Druck p im Reservoir 2 durch den Vorschub des Kolbens 21 erzeugt. Die Antriebsquelle des Kolbens 21 bildet also die Mittel 4 zur Erzeugung des Drucks p im Reservoir 2.
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Zusätzlich sind noch ein Wegmesssystem 22 für die Position s des Kolbens 21 im Druckkopf 1 sowie ein Kraftsensor 23 für die vom Kolben 21 ausgeübte Kraft FF vorgesehen. Die Auswerteeinheit 9 erhält also neben dem Druck pL und der Temperatur TL der flüssigen Phase 32 des Ausgangsmaterials 3 noch die Positon s sowie die Kraft FF. pL und TL werden außerdem direkt an den Regler 10 weitergegeben, der mit der Stellgröße 14 auf die Antriebsquelle 4 des Kolbens 21 einwirkt. Damit ist der Regler 10 in der Lage, pL und/oder TL auf einen vorgegebenen Sollwert zu regeln.
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Weiterhin erhält der Regler 10 auch die von der Auswerteeinheit 9 ermittelten Größen ΔV+, ΔV-, Q und E. Der Regler 10 ist somit auch in der Lage, eine oder mehrere dieser Größen auf einen vorgegebenen Sollwert zu regeln.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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