Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckkopf für ein additives Schmelzschichtungsverfahren mit einem thermoplastischen Aufbaumaterial, umfassend mindestens einen Eingang zur Aufnahme eines Aufbaumaterials in den Druckkopf hinein; mindestens einen nach dem Eingang angeordneten und mit dem Eingang wenigstens zeitweise fluidisch verbundenen Schmelzbereich zum Aufschmelzen des Aufbaumaterials und mindestens einen mit dem Schmelzbereich wenigstens zeitweise fluidisch verbundenen ersten Ausgang zum Austragen von aufgeschmolzenem Aufbaumaterial mit einer ersten Austragsrate aus dem Schmelzbereich. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands in einem additiven Schmelzschichtungsverfahren unter Einsatz eines solchen Druckkopfs und ein System für ein additives Schmelzschichtungsverfahren mit einem thermoplastischen Aufbaumaterial, umfassend solchen einen Druckkopf und eine Steuerungseinheit.

Als additive Fertigungsverfahren werden solche Verfahren bezeichnet, mit denen Gegenstände schichtweise aufgebaut werden. Sie unterscheiden sich daher deutlich von anderen Verfahren zur Herstellung von Gegenständen wie Fräsen, Bohren oder Zerspanen. Bei letztgenannten Verfahren wird ein Gegenstand so bearbeitet, dass er durch Wegnahme von Material seine Endgeometrie erhält.

Additive Fertigungsverfahren nutzen unterschiedliche Materialien und Prozesstechniken, um Gegenstände schichtweise aufzubauen. Beim sogenannten Fused Deposition Modeling (FDM) oder Schmelzschichtungsverfahren beispielsweise wird ein thermoplastisches Kunststoff-Filament verflüssigt und mit Hilfe einer Düse schichtweise auf einer beweglichen Bauplattform abgelegt. Beim Erstarren entsteht ein fester Gegenstand. Die Steuerung der Düse und der Bauplattform erfolgt auf der Grundlage einer CAD-Zeichnung des Gegenstands. Ein frühes Patentdokument für diese Technologie ist US 5,121,329. Ist die Geometrie dieses Gegenstands komplex, zum Beispiel mit geometrischen Hinterschneidungen, müssen zusätzlich Stützmaterialien mitgedruckt und nach Fertigstellung des Gegenstands wieder entfernt werden.

Es kann vorkommen, dass eine Schicht des aufzubauenden Gegenstands mehrere nicht miteinander verbundene Bereiche aufweist. Dann müssen in einem FDM-Verfahren das Ablegen des geschmolzenen Filaments unterbrochen, der Druckkopf repositioniert und anschließend das Ablegen des geschmolzenen Filaments wieder gestartet werden.

Üblicherweise wird das strangformige Aufbaumaterial durch einen Rollenantrieb oder dergleichen in den Schmelzbereich des Druckkopfes befördert. Das noch nicht aufgeschmolzene Material wirkt wie ein Stempel für das aufgeschmolzene Material, so dass die Austragsrate des aufgeschmolzenen Materials über den Antrieb für das Einführen des noch nicht aufgeschmolzenen Materials gesteuert werden kann. Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass der Druckkopf einfach konstruiert werden kann. Nachteilig ist jedoch, dass das Anhalten der Filamentextrusion einzig durch das Anhalten des Eintragens von nicht aufgeschmolzenem Aufbaumaterial erfolgen kann. Hierdurch steigt die Gefahr, dass während des Repositionierens des Druckkopfes weiterhin Material aus dem Druckkopf austritt und somit für einen gelungenen 3 D- Druck nicht akzeptable Materialfäden zwischen der Endposition des Druckkopfes und der neuen Anfangsposition des Druckkopfes verbleiben.

Selbst wenn ein Verschlussmechanismus am heißen Ausgang („hot end") des Druckkopfes das Austreten von Material während des Repositionierens verhindern sollte, verbleibt noch ein weiteres Problem: das Ansteigen des Innendrucks im Schmelzbereich des Druckkopfes bei der Wi ederaufnahme der Materialablage. Durch diesen Druckanstieg kann anfangs ungewollt eine zu große Menge an geschmolzenem Aufbaumaterial austreten.

Ein zusätzlicher Aspekt bei FDM-Verfahren ist weiterhin die Verweilzeit des aufgeschmolzenen Materials in der Aufschmelzzone. Wenn ein thermoplastisches Polymer übermäßig lange oberhalb einer bestimmten Temperatur gehalten wird, steigt die Gefahr von Kettenfragmentierungen und oder Vernetzung und damit einer B eeinträchtigung der Verarbeitungseigenschaften und mechanischen Eigenschaften des Polymers.

Sogenannte Umlaufextruder zirkulieren aufgeschmolzenes Material, wodurch Druckschwankungen am Ausgang des Extruders verringert werden können. Ein Beispiel hierfür wird in US 4,642,040 A beschrieben.

Ein weiteres Beispiel für eine kurze Verweilzeit des aufgeschmolzenen Materials in der Austragszone des Druckkopfes ist in WO 2012/135279 AI offenbart. Ein additives Herstellungssystem zur Drucken einer Schokoladenpraline umfasst eine Platte, eine Rezirkulierungsschleife zum Zirkulieren von Schokoladenmaterial und zum Temperieren des Schokoladenmaterials. Ein Druckkopf ist eingerichtet, um wenigstens einen Teil des Schokoladenmaterials aus der Rezirkulierungsschleife zu empfangen und um das Schokoladenmaterial zu extrudieren und auf der Platte abzulegen. Auf der Basis von Befehlen einer Steuerungseinheit wird wenigstens ein Teil der Schokolade gedruckt.

Erfindungsgemäß gelöst wird die Aufgabe durch einen Druckkopf gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 10 und ein System gemäß Anspruch 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Sie können beliebig kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.

Ein erfindungsgemäßer Druckkopf für ein additives Schmelzschichtungsverfahren mit einem thermoplastischen Aufbaumaterial umfasst: mindestens einen Eingang zur Aufnahme eines Aufbaumaterials in den Druckkopf hinein; mindestens einen nach dem Eingang angeordneten und mit dem Eingang wenigstens zeitweise fluidisch verbundenen Schmelzbereich zum Aufschmelzen des Aufbaumaterials; und mindestens einen mit dem Schmelzbereich wenigstens zeitweise fluidisch verbundenen ersten Ausgang zum Austragen von aufgeschmolzenem Aufbaumaterial mit einer ersten Austragsrate aus dem Schmelzbereich; wobei - der Druckkopf weiterhin mindestens einen mit dem Schmelzbereich wenigstens zeitweise fluidisch verbundenen zweiten Ausgang zum Austragen von aufgeschmolzenem oder nicht aufgeschmolzenem Aufbaumaterial mit einer zweiten Austragsrate aus dem Schmelzbereich umfasst; und - die erste Austragsrate durch einen ersten Austragsraten-Beeinflusser für das geschmolzene

Aufbaumaterial beeinflussbar ist.

Der erfindungsgemäße Druckkopf hat den Vorteil, dass die Verweilzeit von geschmolzenem Aufbaumaterial in der Schmelzzone minimiert werden kann und gleichzeitig der Druck innerhalb der Schmelzzone geringeren Schwankungen unterworfen ist. Dieses ist besonders vorteilhaft, wenn bei einer Repositionierung des Druckkopfs der Materialaustrag angehalten werden soll. Auf diese Weise lässt sich die Genauigkeit des Materialaustrags bei der Wiederaufnahme des Druckvorgangs erhöhen.

Der Druckkopf ist in einem additiven Schmelzschichtungsverfahren einsetzbar. Insbesondere handelt es sich dabei um FDM-Verfahren. Grundsätzlich kann das Aufbaumaterial alle thermoplastischen Polymere enthalten. Bevorzugt sind solche, die bei einer längeren thermischen Belastung deutlich ihre Eigenschaften durch thermische Kettenaustauschprozesse (Umesterung, Umurethanisierung, Umaddierung, etc.) innerhalb von Polymerketten, aber auch zwischen unters chiedli chen Polymerketten, verändern. Solche Thermoplaste profitieren besonders von gut kontrollierten Verarbeitungszeiten, Beispielhaft sein genannt thermoplastische Polyester, Polycarbonate, Polyamide und Polyurethane, insbesondere thermoplastische Polyurethane und thermoplastische Polyurethan-Elastomere.

Zur Aufnahme des beispielsweise filament- oder granulatformigen Aufbaumaterials weist der Druckkopf einen Eingang auf. Nach dem Passieren des Eingangs gelangt das Aufbaumaterial in einen Schmelzbereich, wo es aufgeschmolzen wird. Der Eingang ist zumindest zeitweise fluidisch verbunden mit dem Schmelzbereich. Ist eine vorübergehende fluidische Trennung gewünscht, kann dieses unter anderem durch ein Ventil oder einen Kolben erreicht werden.

Das aufgeschmolzene Aufbaumaterial kann durch einen ersten Ausgang aus dem Druckkopf ausgetragen werden. Dieser erste Ausgang ist mit dem Schmelzbereich zumindest zeitweise, beispielsweise durch ein steuerbares Ventil, fluidisch verbunden. Wenn die fluidische Verbindung unterbrochen wird, tritt kein geschmolzenes Aufbaumaterial aus dem ersten Ausgang aus. Der erste Ausgang ist dazu vorgesehen, Aufbaumaterial zur Herstellung des gewünschten Gegenstandes im Schmelzschichtungsverfahren auszutragen. Die Menge des pro Zeiteinheit den ersten Ausgang verlassenden geschmolzenen Aufbaumaterials wird mit der ersten Austragsrate, beispielsweise in der Einheit Milligramm pro Sekunde, ausgedrückt. Die erste Austragsrate ist durch einen ersten Austragsraten-Beeinflusser für das geschmolzene Aufbaumaterial beeinflussbar. Geeignet sind alle Vorrichtungen, mit denen mittelbar oder unmittelbar die Rate des Materialaustrags aus dem ersten Ausgang heraus gesteuert werden kann.

Der Druckkopf weist ferner einen zweiten Ausgang auf, welcher mit dem Schmelzbereich zumindest zeitweise fluidisch verbunden ist. Material tritt aus ihm mit einer zweiten Austragsrate aus. Dieser Ausgang ist im Gegensatz zum ersten Ausgang nicht dafür vorgesehen, dass aus ihm austretendes Material zum Aufbau des gewünschten Gegenstands beiträgt. Der zweite Ausgang kann vielmehr Druckentlastungs-Ausgang fungieren, wenn kein Material den ersten Ausgang verlassen soll.

Die erste Austragsrate und die zweite Austragsrate können jede für sich Null betragen, jedoch nicht gleichzeitig. Es ist bevorzugt, dass die Summe aus erster und zweiter Austragsrate einen konstanten Wert einnimmt.

Ausführungsformen und weitere Aspekte der Erfindung werden nachfolgend beschrieben. Sie können beliebig kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Austragsrate durch einen zweiten Austragsraten-Beeinflusser für das aufgeschmolzene oder nicht aufgeschmolzene Aufbaumaterial beeinflussbar. Dann ist die zweite Austragsrate nicht nur indirekt über den ersten Austragsraten- Beeinflusser, sondern direkt steuerbar.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der erste Austragsraten-Beeinflusser als schaltbares Ventil ausgebildet, welches eingerichtet ist, um den Schmelzbereich und den ersten Ausgang fluidisch miteinander zu verbinden oder voneinander zu trennen. Dieses kann auf Anweisung einer Steuerungseinheit, in Übereinstimmung mit dem Druckvorgang für die jeweilige Schicht, erfolgen. in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der erste Austragsraten-Beeinflusser als Antrieb zum Fördern des Aufbaumaterial s durch den Eingang in den Druckkopf hinein ausgebildet. Auf diese Weise kann ein konventioneller Walzenantrieb, wie er in FDM -Druckköpfen bereits vorliegt, verwendet werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Austragsraten-Beeinflusser als schaltbares Ventil ausgebildet, welches eingerichtet ist, um den Schmelzbereich und den zweiten Ausgang fluidisch miteinander zu verbinden oder voneinander zu trennen. Dieses kann auf Anweisung einer Steuerungseinheit, in Übereinstimmung mit dem Druckvorgang für die jeweilige Schicht, erfolgen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Ausgang wenigstens zeitweise mit dem Eingang fluidisch verbunden. Hierdurch kann nicht zum Aufbau des Gegenstands verwendetes Material wi ederverwendet werden.

In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form ist der erste Ausgang in Form einer Mehrzahl von koaxialen, voneinander beabstandeten Einzelausgängen ausgestaltet und die Einzelausgänge sind so eingerichtet, dass durch jeden Einzelausgang aufgeschmolzenes oder nicht aufgeschmolzenes Aufbaumaterial mit der gleichen Austragsrate ausgetragen wird. Auf diese Weise kann eine Parallelisierung des 3 D-Druckvorgangs erfolgen. Der Abstand eines Einzelausgangs zu seinem nächsten Nachbarn wird zweckmäßigerweise so gewählt, dass er größer als die größte Breite des parallel zu druckenden Gegenstands ist. Es können 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder noch mehr Einzelausgänge vorliegen. Es ist möglich, dass die Einzelausgänge in zwei Dimensionen und zueinander versetzt angeordnet sind und dass der Abstand der Mittelpunkte zweier benachbarter Einzelausgänge kleiner oder gleich dem Durchmesser des zweiten Ausgangs ist. Die Anordnung der Einzelausgänge ist vorzugsweise in versetzten Reihen. Dieses ermöglicht das effiziente Ablegen von Aufbaumaterial auf große Flächen. in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zusätzlich zum ersten Ausgang wenigstens ein weiterer mit dem ersten Ausgang koaxialer Ausgang mit einem separat ansteuerbaren Austragsraten-Beeinflusser vorgesehen, durch welchen aufgeschmolzenes Aufbaumaterial mit einer Austragsrate ausgetragen werden kann. Es können 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder noch mehr solcher individuell ansteuerbaren weiteren Ausgänge vorliegen. Die einzelnen Ausgänge können den gleichen Öffnungsquerschnitt oder aber auch unterschiedliche Öffnungsquerschnitte aufweisen.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes in einem additiven Schmelzschichtungsverfahren, umfassend die Schritte:

I) Auftragen eines Filaments eines zumindest teilweise geschmolzenen Aufbaumaterials mittels eines Druckkopfes auf einen Träger, so dass eine Lage des Aufbaumaterials erhalten wird, welche einem ersten ausgewählten Querschnitt des Gegenstands entspricht;

II) Auftragen eines Filaments des zumindest teilweise geschmolzenen Aufbaumaterials mittels eines Druckkopfes auf eine zuvor aufgetragene Lage des Aufbaumaterials, so dass eine weitere

Lage des Aufbaumaterials erhalten wird, welche einem weiteren ausgewählten Querschnitt des Gegenstands entspricht und welche mit der zuvor aufgetragenen Lage verbunden ist;

III) Wiederholen des Schritts II), bis der Gegenstand gebildet ist; wobei das Aufbaumaterial ein schmelzbares Polymer aufweist; wobei das Auftragen des Filaments wenigstens in Schritt II) durch einen erfindungsgemäßen Druckkopf erfolgt, indem geschmolzenes Aufbaumaterial mit einer ersten Austragsrate aus dem ersten Ausgang des Druckkopfes ausgetragen wird; und vor, während und/oder nach der Durchführung eines Schrittes II) eine Steuereinheit kontrolliert, ob der Druckkopf ohne Austragen von geschmolzenem Aufbaumaterial repositioniert werden muss und, falls dieses der Fall ist, vor der Repo sitioni erung den ersten Austragsraten- Beeinflusser des Druckkopfs derart ansteuert, dass die erste Austragsrate Null beträgt und die zweite Austragsrate größer als Null ist und nach der Repositioni erung den ersten Austragsraten- Beeinflusser des Druckkopfs derart ansteuert, dass die erste Austragsrate Null größer als Null ist.

Im erfindungsgemäß en Verfahren wird ein Gegenstand schichtweise aufgebaut. Insofern handelt es sich um ein Schmelzschichtungs- oder Fused Deposition Modeling (FDM) - Verfahren . Ist die Anzahl der Wiederholungen für das Auftragen hinreichend gering, kann auch von einem zweidimensionalen Gegenstand gesprochen werden, der aufgebaut werden soll. Solch ein zweidimensionaler Gegenstand lässt sich auch als Beschichtung charakterisieren. Beispielsweise können zu dessen Aufbau > 2 bis < 20 Wiederholungen für das Auftragen durchgeführt werden. Ein elektronisches Modell des zu bildenden Gegenstands liegt zweckmäßigerweise in einem CAD- Programm vor. Das CAD-Programm kann dann Querschnitte des Modells berechnen, die durch Auftragen des Filaments zu Querschnitten des Gegenstands werden.

Die einzelnen Filamente, welche aufgetragen werden, können einen Durchmesser von > 25 μηι bis < 5000 μm aufweisen.

Schritt I) des Verfahrens betrifft den Aufbau der ersten Lage auf einen Träger. Anschließend wird so lange Schritt II) ausgeführt, in dem auf zuvor aufgetragene lagen des Aufbaumaterials weiter Lagen aufgetragen werden, bis das gewünschte Endergebnis in Form des Gegenstands erhalten wird. Das zumindest teilweise aufgeschmolzene Aufbaumaterial verbindet sich mit bereits bestehenden Lagen des Materials, um eine Struktur in z-R ich Hing aufzubauen.

Die Tem eratur, mit der das zumindest teilweise geschmolzen Aufbaumaterial aufgetragen wird, liegt vorzugsweise mindestens 10° C oberhalb der Schmelztemperatur und vorzugsweise < 200° C oberhalb der oberen Temperatur des Schmelzbereichs des schmelzbaren Polymers.

Neben dem schmelzbaren Polymer kann das Aufbaumaterial noch weitere Additive wie Füllstoffe, Stabilisatoren und dergleichen, aber auch weitere Polymere, enthalten. Der Gesamtgehalt an Additiven im Aufbaumaterial kann beispielsweise > 0,1 Gewichts-% bis < 80 Gewichts-%, bevorzugt > 0,5 Gewichts-% bis < 50 Gewichts-%, betragen.

Im erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass wenigstens in Schritt II), vorzugsweise während des gesamten Verfahrens, das Auftragen des Filaments durch einen erfindungsgemäßen Druckkopf erfolgt. Hierbei wird (entsprechend dem jeweils ausgewählten Querschnitt des Gegenstands) geschmolzenes Aufbaumaterial mit einer ersten Austragsrate aus dem ersten Ausgang des Druckkopfes ausgetragen.

Eine Steuereinheit kontrolliert während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, ob der Druckkopf repositioniert werden muss. Dieses kann beim Wechsel zur nächsten Schicht des Gegenstands der Fall sein oder wenn eine Schicht des Gegenstands mehrere nicht miteinander verbundene Bereiche aufweist. Bei herkömmlichen FDM-Druckverfahren würde nun der Filamentantrieb angehalten werden und beim Erreichen der neuen Druckkopfposition wieder in Gang gesetzt werden. Dieses hat den Nachteil, dass das Aufbaumaterial unnötig lange in der Schmelzzone verbleibt und beim Wiederanfahren des Filamentantriebs ein plötzlicher Druckanstieg im Druckkopf für eine ungewollt hohe anfängliche Austragsrate sorgen kann.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird stattdessen auf Anweisung der Steuereinheit im Druckkopf die erste Austragsrate auf Null heruntergefahren, so dass aus dem ersten Ausgang kein Material mehr austritt. Stattdessen wird die zweite Austragsrate auf einen Wert größer als Null gesetzt, so dass im Druckkopf bewegtes Material anstatt durch den ersten nun aus dem zweiten Ausgang heraustritt. Dann kann der Materialfördermechanismus im Druckkopf ohne Unterbrechung arbeiten. Es ist bevorzugt, dass die Summe aus erster und zweiter Austragsrate für die Dauer des erfindungsgemäßen Verfahrens einen konstanten Wert einnimmt. Nach der Repositionierung kann dann wieder Material aus dem ersten Ausgang zum weiteren Aufbau des Gegenstands ausgetragen werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bleibt die erste Austragsrate für > 25% der Gesamtzeit des Verfahrens innerhalb eines Intervalls von ± 20%, vorzugsweise ± 10%, mehr bevorzugt ± 5% um einen vorbestimmten Wert.

In einer weiteren bevorzugten Aus fuhrungs form des Verfahrens bleibt der Materialdurchsatz durch den Druckkopf für > 50%, bevorzugt > 75%, mehr bevorzugt > 95% der Gesamtzeit des Verfahrens konstant. Der Materialdurchsatz durch den Druckkopf ist hierbei als die Summe aller Austragsraten zu verstehen. Durch einen konstanten Materialdurchsatz können Aufheizung und Materialfluss im Druckkopf besser koordiniert werden. Der Begriff „konstant" schließt in diesem Fall eine Schwankung um ± 10%, bevorzugt ± 5%, um einen vorbestimmten Wert ein. In einer weiteren bevorzugten Aus fuhrungs form des Verfahrens weicht für > 25%o der Gesamtzeit des Verfahrens der durch das geschmolzene Aufbaumaterial ausgeübte Druck innerhalb des Schmelzbereichs um < 50% vom durchschnittlichen durch das geschmolzene Aufbaumaterial innerhalb des Schmelzbereichs ausgeübten Druck ab.

In einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform des Verfahrens beträgt die mittlere Verweilzeit des geschmolzenen Aufbaumaterials innerhalb des S chmelzb er ei chs < 3 Minuten. Vorzugsweise beträgt diese mittlere Verweilzeit < 2 Minuten, mehr bevorzugt < 1 Minute. Das gemessene Verweilzeitprofil kann einer Funktion mit einem Vertrauensintervall von > 0,9 nach wiederholten, statistisch verteilten Messungen von jeweils < 20 Minuten (bevorzugt < 10 Minuten) innerhalb der Bauzeit entsprechen. In einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform des Verfahrens wird ein erfindungsgemäßer Druckkopf eingesetzt, in dem zusätzlich zum ersten Ausgang wenigstens ein weiterer mit dem ersten Ausgang koaxialer Ausgang mit einem separat ansteuerbaren Austragsraten-Beeinflusser vorgesehen ist, durch welchen aufgeschmolzenes Aufbaumaterial mit einer Austragsrate ausgetragen wird und es wird jeder Austragsraten-Beeinflusser separat angesteuert. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein System für ein additives Schmelzschichtungsverfahren mit einem thermoplastischen Aufbaumaterial, umfassend einen Druckkopf und eine Steuerungseinheit, wobei der Druckkopf ein erfindungsgemäßer Druckkopf ist und die Steuerungseinheit eingerichtet ist, um ein erfindungsgemäßes Verfahren ablaufen zu lassen. Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:

FIG. 1 -4 erfindungsgemäße Druckköpfe

FIG. 5-7 erfindungsgemäße Systeme mit Druckkopf und Steuerungseinheit FIG. 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Druckkopf 100. Dieser Druckkopf weist zwei parallele Schenkel auf, von denen der in der Figur rechts dargestellte Schenkel einen Eingang 10 aufweist, durch den ein thermoplastisches Aufbaumaterial in Filament, Stab- oder Granulatform in den Druckkopf eingefüllt werden kann. Zum Einfüllen des Aufbaumaterials wird der Stempel 50 entfernt und nach dem Einfüllen wieder eingesetzt, so dass der bewegliche Stempel 50 auf das Aufbaumaterial 11 drücken kann.

Durch das um den Druckkopf herum angeordnete Heizelement 70 wird das Aufbaumaterial 11 in einem erwärmten Schmelzbereich 20 aufgeschmolzen. Eine Abwärtsbewegung des Stempels 50 kann zum Einen das im Schmelzbereich 20 geschmolzene Aufbaumaterial 12 durch den ersten Ausgang 30 befordern und somit zum Aufbau eines Gegenstands in einem additiven Schmelzschichtungsverfahren (FDM-Verfahren) beitragen. Das aufgeschmolzene Aufbaumaterial 12 kann weiterhin auch in den zweiten, in FIG. 1 links dargestellten Schenkel umgeleitet werden. Dieser Schenkel weist den zweiten Ausgang 40 auf, durch den das so umgeleitete geschmolzene oder wieder erstarrte Aufbaumaterial den Druckkopf verlassen kann. Ein optionaler beweglicher Stempel 60 kann den zweiten Ausgang 40 abdichten und sich gegenläufig zum ersten Stempel 60 bewegen.

Das Aufbaumaterial verlässt den Druckkopf durch den ersten Ausgang 30 mit einer ersten Austragsrate und den zweiten Ausgang 40 mit einer zweiten Austragsrate. Die Bewegung des ersten Stempels 50 in Richtung Schmelzbereich 20 bestimmt im einfachsten Fall, in Abwesenheit des zweiten Stempels 60, die erste (und auch die zweite) Austragsrate. Somit ist der erste Stempel 50 ein erster Austragsraten-Beeinflusser für das geschmolzene Aufbaumaterial 12 im Kontext der Erfindung. Liegt der zweite Stempel 60 wie in FIG. 1 gezeigt vor, kann er sich der Bewegung des Aufbaumaterials aus dem zweiten Ausgang 40 durch eine mehr oder weniger schnelle Bewegung entgegensetzen und ist somit ein zweiter Austragsraten-B eeinflusser für aufgeschmolzenes oder nicht aufgeschmolzenes Aufbaumaterial. Das Zusammenwirken von erstem Stempel 50 und zweitem Stempel 50 erlaubt es auch, über die zweite Austragsrate die erste Austragsrate und umgekehrt zu steuern. So kann bei konstanter Abwärtsbewegung des ersten Stempels 50 durch Veränderung der Geschwindigkeit der entgegengesetzten Bewegung des zweiten Stempels 60 die erste Austragsrate erhöht werden (zweiter Stempel 60 bewegt sich schneller) oder erniedrigt werden (zweiter Stempel 60 bewegt sich langsamer).

Unter dem Aspekt des Innendrucks im Druckkopf und insbesondere des Dru ks, der im Schmelzbereich 20 herrscht, las st sich im erfindungsgemäßen Druckkopf dieser Druck konstant halten, obwohl die erste Austragsrate veränderlich ist und auch null betragen kann.

FIG. 2 zeigt schematisch einen weiteren erfindungsgemäßen Druckkopf 100. In Abwandlung der Konfiguration von FIG. 1 übernehmen die Antriebswalzen 51 und 1 die Funktion des ersten Austragsraten-Beeinflussers, indem sie als Filament vorliegendes Aufbaumaterial 11 durch den Eingang 10 in den Schmelzbereich 20 des Druckkopfs 100 fördern. Der oder die Austragsraten-Beeinfiusser können auch als schaltbare Ventile ausgebildet sein. Dieses ist schematisch in FIG. 3 gezeigt. Der Druckkopf 100 weist einen Eingang 10 auf, durch den das Aufbaumaterial 11, angetrieben durch die Antriebswalzen 51 und 52, in den Schmelzbereich 20 gelangt. Das Heizelement 70 führt die zum Aufschmelzen des Aufbaumaterials nötige Wärme in den Schmelzbereich 20 ein. Das Austreten von geschmolzenem Aufbaumaterial 12 aus dem ersten Ausgang 30 heraus wird durch das schaltbare Ventil 53 beeinflusst. Optional kann als zweiter Austragsraten-Beeinfiusser zum Beeinflussen der Rate, mit der geschmolzenes Aufbaumaterial 13 aus dem zweiten Ausgang 41 austritt, ein weiteres schaltbares Ventil 61 vorgesehen sein. Die Ansteuerung der schaltbaren Ventile 53, 61 übernimmt eine nicht abgebildete Steuerungseinheit. FIG. 4 zeigt schematisch einen weiteren erfindungsgemäßen Druckkopf 100. Der Druckkopf 100 weist einen Eingang 10 auf, durch den das Aufbaumaterial 11, angetrieben durch die Antriebswalzen 51 und 52, in den Schmelzbereich 20 gelangt. Das Heizelement 70 führt die zum Aufschmelzen des Aufbaumaterials nötige Wärme in den Schmelzbereich 20 ein. Neben dem ersten Ausgang 30 und dem zweiten Ausgang 31 weist dieser Druck k f noch einen dritten Ausgang 31 auf, welcher koaxial zum ersten Ausgang 30 angeordnet ist. Geschmolzenes Aufbaumaterial 12 tritt aus dem ersten Ausgang 31 mit einer ersten Austragsrate aus. Analog treten geschmolzenes Aufbaumaterial 13 mit einer zweiten Austragsrate aus dem zweiten Ausgang 41 und geschmolzenes Aufbaumaterial 14 mit einer dritten Austragsrate aus dem dritten Ausgang 31 aus.

Die Antriebswalzen 5 1 und 52 haben die Funktion des zweiten Austragsraten-Beeinflussers. Schaltbare Ventile 2 und 6 übernehmen die Aufgabe der ersten und dritten Austragsraten- Beeinfiusser. Die zweite Austragsrate kann ferner im Zusammenwirken von erstem, zweitem und drittem Austragsraten-Beeinfiusser verändert werden. Bei konstanter Fördergeschwindigkeit für das filamentförmige Aufbaumaterial können Ventile 62 und/oder 63 geöffnet werden, um geschmolzenes Aufbaumaterial 13 von dem zweiten Ausgang 41 wegzuleiten. FIG. 5 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes System mit dem Zusammenwirken von Druckkopf und Steuerungseinheit. Der Druckkopf 100 empfängt in seinem Aufschmelzbereich den Stoffstrom 200, welcher insbesondere ein Filament eines thermoplastischen Polymers sein kann. Im Aufschmelzbereich wird das thermoplastische Polymer aufgeschmolzen. Der Stoffstrom des aufgeschmolzenen Materials verlässt den Aufschmelzbereich und tritt in ein Dreiwegeventil 300 ein. Das Dreiwegeventil 300 ist in der Terminologie der Erfindung sowohl der erste Austragsraten- Beeinflusser und der zweite Austragsraten-Beeinflusser. Dieses Dreiwegeventil 300 wird durch die Steuerungseinheit 600 angesteuert und kann auf Anweisung dieser Steuerungseinheit 600 den Stoffstrom des aufgeschmolzenen Materials auf die Stoff ströme 400 und/oder 500 umleiten. Falls gewünscht, kann das Dreiwegeventil 300 auch den eintretenden Stoffstrom blockieren, so dass kein Material aus dem Dreiwegeventil 300 austritt. Der Stoffstrom 400 ist als derjenige Stoffstrom vorgesehen, welcher den durch das additive Schmelzschichtungsverfahren herzustellenden Gegenstand bildet. Der Stoff ström 500 nimmt nicht am additiven Schmelzschichtungsverfahren teil. Durch die Möglichkeit des Aufteilens des eintretenden Stoffstroms auf die beiden Stoff ströme 400 und 500 kann der in das Dreiwegeventil 300 eintretende Stoffstrom mit einer konstanten Rate den Aufschmelzbereich des Druckkopfes verlassen. Soll Material zum Aufbau des herzustellenden Gegenstands abgelegt werden, schaltet die Steuerungseinheit 600 das Dreiwegeventil 300 so, dass beispielsweise 100% des eintretenden Stoffstroms das Ventil über Stoffstrom 400 verlassen. Wenn stattdessen der Druckkopf eine neue Position relativ zum aufzubauenden Gegenstand einnehmen soll und auf dem Weg dorthin kein Material abgelegt werden soll, schalten die Steuerungseinheit 600 das Dreiwegeventil 300 so, dass beispielsweise 100%o des eintretenden Stoffstroms das Ventil über Stoff ström 500 verlassen und entsprechend nicht auf dem aufzubauenden Gegenstand abgelegt werden. Hätte der Druckkopf diese Möglichkeit nicht, müsste vor dem Umpositionieren der Stoff ström 200 angehalten werden und bei Wi ederaufnahme der Materialablage erneut angefahren werden. Hierbei würden jedoch Druckschwankungen im Druckkopf auftreten, die für eine mengenmäßig kontrollierte Abgabe des geschmolzenen Materials nicht förderlich sind. Diese Probleme vermeidet die vorliegende Erfindung. Das Dreiwegeventil 300 ist nicht darauf beschränkt, 100%> des eintretenden Stoff Stroms auf Stoffstrom 400 oder auf Stoff ström 500 umzuleiten. Es können auch beliebige Abstufungen der Verhältnisse der Stoffströme 400 und 500 zueinander eingenommen werden. Dieses ist vorteilhaft, wenn sich der Druckkopf beim Drucken von feinen Strukturen nur langsam relativ zum aufzubauenden Gegenstand bewegt und dementsprechend wenig Material abgelegt werden soll. Auch hier lassen sich unerwünschte Drucksprünge innerhalb des Druckkopfs vermeiden.

FIG. 6 zeigt schematisch ein weiteres erfindungsgemäßes System mit dem Zusammenwirken von Druckkopf und Steuerungseinheit. Aufbauend auf dem System gemäß FIG. 5 ist dargestellt, wie der nicht zum Aufbau des herzustellenden Gegenstands im additiven Schmelzschichtungsverfahren vorgesehene Stoff ström 500 in einen Auffangbehälter 700 geleitet wird. Das im Auffangbehälter 700 gesammelte Material kann einer Wi ederverwendung zugeführt werden.

FIG. 7 zeigt schematisch ein weiteres erfindungsgemäßes System mit dem Zusammenwirken von Druckkopf und Steuerungseinheit. Aufbauend auf dem System gemäß FIG. 5 ist dargestellt, wie der nicht zum Aufbau des herzustellenden Gegenstands im additiven Schmelzschichtungsverfahren vorgesehene Stoffstrom 500 wieder in den Aufschmelzbereich zurückgeführt wird. Dieses kann durch eine optionale Pumpe 800 unterstützt werden. Um ein Erstarren des Materials zu verhindern, können die Leitungen für den Stoff ström 500 thermisch isoliert und/oder beheizt werden.