Bild: HP Inc.
Die Herstellung von mehrfarbigen Kunststoffen ist ein aufwendiger Prozess. In der „traditionellen“ Kunststoff-Fertigung entstehen mehrfarbige Objekte entweder durch einen mehrstufigen Schmelzprozess (Überschmelzen) oder durch die Nachbearbeitung (Einfärben) von einfarbigen Objekten (Siebdruck oder manuelles Einfärben).
Die additiven Fertigungsmethoden waren lange Zeit auf die Herstellung einfarbiger Objekte beschränkt. Mit der Weiterentwicklung (Polyjet, Colorjet) und Neuentwicklung (MJF) der Technologien ist die Herstellung von mehrfarbigen und vollfarbigen Produkten (Objekte mit Texturen und Farbverläufen) möglich geworden.
Einen zusätzlichen Schub hat der Farb-3D-Druck durch die Marktreife von weiteren Technologien erhalten, die die Qualität und Effizienz des vollfarbigen 3D-Drucks signifikant erhöhen.
Dieser Beitrag befasst sich mit mehreren Aspekten des vollfarbigen 3D-Drucks:
- Anwendungen
- Technologien und Maschinen: Industrielle Anwendungen & Hobbybereich
- Erstellung von vollfarbigen 3D-Modellen
- Wahlmöglichkeiten für den vollfarbigen 3D-Druck bei 3Faktur.
Anwendungen
Die „traditionelle“ Herstellung von mehrfarbigen Kunststoff-Objekten (meist Spielzeuge) wird durch additive Fertigungsmethoden ergänzt. Damit werden Geometrien und Designs möglich, die für Guss-Verfahren zu komplex sind. So können zum Beispiel Vorrichtungen/Schablonen mit farbigen Elementen den Mitarbeitern in der Produktion helfen, indem Objektausrichtungen dargestellt oder Montageinstruktionen auf den betreffenden Bauteilen mitgedruckt werden.
Voll-/mehrfarbige Prototypen
Bisher war es sehr aufwendig, mehrfarbige Bauteile für Prototypen oder mehrfarbige Prototypen mit den „traditionellen“ Verfahren herzustellen. Es waren meist sehr komplexe und arbeitsintensive Nachbearbeitungen notwendig. Mit dem vollfarbigen 3D-Druck können Prototypen mit Texturen oder mehrfarbige Prototypen direkt gedruckt werden. Dadurch werden die Herstellungskosten und die Produktionszeit spürbar reduziert.
Vorrichtungen/Schablonen
Farbliche Hinweise und Informationen helfen den Mitarbeitern, die Bauteile korrekt zusammenzufügen oder auszurichten. Diese Hilfen werden meist nur in geringen Stückzahlen benötigt, daher sind die additiven Fertigungsmethoden am besten für eine schnelle und kostengünstige Produktion geeignet.
Funktionsbauteile
Der vollfarbige 3D-Druck von Funktionsbauteilen ist eine relative neue Möglichkeit im Bereich der additiven Fertigung. Das Auftragen von Texturen und Farben benötigt in der „traditionellen“ Fertigung vergleichsweise aufwendige Verfahren oder Nachbearbeitungsschritte. Der industrielle Farb-3D-Druck (Multi Jet Fusion) kann vollfarbige Funktionsbauteile (PA 12) in sehr kurzer Zeit herstellen.
Maßstabsmodelle
Im Architekturbereich wird für Anschauungsmodelle oft eine Textur oder zumindest Mehrfarbigkeit benötigt. Mit den neusten 3D-Drucktechnologien (Polyjet-Vollfarbig, Multi Jet Fusion) können sogar filigrane Details gedruckt werden, sodass sehr realistische Modelle entstehen.
Wissenschaft/Forschung
Bei standardmäßigen, wissenschaftlichen Modellen (Molekül-/Organmodelle, geografische oder geologische Modelle) werden die komplexen Strukturen meist vereinfacht dargestellt. Der 3D-Druck ermöglicht eine wesentliche detailliertere und genauere Darstellung der Realität in dem Modell.
Spielzeuge
Farbige Oberflächen oder Texturen sind für viele Spielzeuge ein wesentlicher Bestandteil. Durch die relativ hohen Stückzahlen und den hohen Kostendruck ist der 3D-Druck in diesem Feld meist nur für Prototypen ökonomisch sinnvoll einsetzbar.
Heim-/Hobbyanwendungen
Die Möglichkeiten im Heim- und Hobbybereich sind vielfältig z. B. Maßstabsmodelle, Spielfiguren, Gadgets oder auch Dekorelemente. Meist nutzten Hobbyanwender aus Kostengründen das FDM-Verfahren.
Technologien I: Industrielle Anwendungen
Die Hochleistungs-3D-Drucker werden meist im industriellen und gewerblichen Bereich eingesetzt (Prototyping, Modellerstellung, Serienfertigung). Colorjet war die erste vollfarbige 3D-Drucktechnologie auf dem Markt, seit Neuestem gibt es mit dem Farb-Polyjetverfahren und dem Multi Jet Fusion (Farbe)-Verfahren Nachfolger auf dem Markt, die die alte Technologie ergänzen und ersetzen.
HP Jet Fusion – vollfarbig
Bis jetzt ist das Multi Jet Fusion-Verfahren (MJF) von HP das einzige additive Verfahren, das belastbare Kunststoffe (Polyamide) für Funktionsbauteile in Farbe herstellen kann. Im Vergleich mit den anderen Verfahren, die vollfarbig drucken können, sind die MJF-Bauteile stabiler und kostengünstiger herzustellen. Daher wurde die Technologie auch mit Spannung erwartet, als sie Mitte 2019 auf den Markt kam.
Vorteile:
- Mechanisch hoch belastbar – als Endprodukt nutzbar
- Günstige Herstellungspreise
- Hohe Produktivität – Serienproduktion ökonomisch sinnvoll
Nachteile:
- Transparenz nicht darstellbar
- Das entstehende Weiß ist nicht rein, eher ein sehr helles Grau.
- Das Verfahren eignet sich eher nicht für sehr kleine, fragile Elemente.
Wenn Sie mehr über das Material (PA 12) und das Verfahren (MJF) erfahren wollen, schauen Sie bitte auf unseren Internetseiten nach. Falls Sie schon ein farbiges 3D-Modell haben, können wir das Objekt für Sie drucken.
Polyjet/UV-curable inkjet
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In den letzten Jahren wurde mit dem 3DUJ-553 von Mimaki (UV-curable inkjet) und den beiden Druckern von Stratasys: Objet J735 & J500 im Bereich des farbigen 3D-Drucks eine neue Generation von Druckern eingeführt. Beide Technologien funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip.
Die verwendeten Materialien sind Acryle und damit meist nicht für die Verwendung als Endprodukte geeignet. Der große Vorteil ist aber, dass mit dieser Technologie unterschiedliche Materialien miteinander kombiniert und unterschiedliche Härtegrade und Flexibilitäten dargestellt werden können.
Vorteile:
- Materialkombinationen möglich
- Transparente Objekte können gefertigt werden.
- Sehr hohe Auflösung (höchster Wert für alle industriellen Farb-3D-Drucker).
Nachteile:
- Nicht ausreichend widerstandsfähig für Endprodukte.
- Sehr hohe Produktionskosten
- Geringe Produktivität der Maschinen
3Faktur bietet den farbigen Polyjet zurzeit noch nicht an. Wir haben aber den Multi-Material-Polyjetdruck im Angebot, bei dem Sie folgende Wahlmöglichkeiten haben: verschiedene Härtegrade, Transparenz oder undurchsichtiges Weiß/Schwarz. Mehr Informationen dazu finden Sie hier.
Colorjet
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Die Colorjet-Technologie ist seit fast 20 Jahren auf dem Markt und war lange Zeit das einzige Verfahren, das vollfarbig drucken konnte. Beim Colorjet wird das Materialpulver mit einem farbigen Kleber verbunden. Dieser künstliche Sandstein ist relativ schwer, spröde und hat eine geringe mechanische Stabilität.
Vorteile:
- Massives/schweres Material – gut geeignet für Architekturmodelle.
Nachteile:
- Sehr brüchig, geringe Resistenz gegen Umwelteinflüsse.
Bei 3Faktur können Sie Ihre 3D-Modelle auch mit Colorjet drucken lassen. Für mehr Informationen schauen sie bitte hier nach.
Technologien II: Einsteigeranwendungen/Hobbybereich
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Die meisten FDM/FFF-Drucker arbeiten nur mit einem Material pro Druckvorgang. Mittlerweile gibt es aber auch schon Maschinen, die mit mehreren Materialien und damit auch mehrfarbig drucken können.
- FDM-Drucker mit einem Druckkopf: Für solche Drucker benötigen Sie ein zusätzliches Gerät, damit Sie mehrfarbig drucken können. Dabei werden die verschiedenfarbigen Filamente in dem Zusatzgerät (z. B. Mosaic Palette2/Pro) so miteinander kombiniert, dass Sie mehrfarbig drucken können.
- FDM-Drucker mit mehreren Druckköpfen: Bei diesen Druckern werden die verschiedenen Farben von unterschiedlichen Druckköpfen aufgetragen. Bei diesem Verfahren erhöht sich die Druckzeit noch mal signifikant.
- Indirekter vollfarbiger FDM-Druck: Das taiwanesische Unternehmen XYZ-Printing (New Kingpo Group) hat dieses Verfahren entwickelt. Indirekt deshalb, weil das einfarbige Objekt (weiß/durchsichtig) nach den eigentlichen Drucken gleich eingefärbt wird.
Erstellen von farbigen 3D-Modellen
Vollfarbige 3D-Modelle können direkt eingescannt werden oder mit CAD-Programmen modelliert werden.
- 3D-Scan: Viele moderne 3D-Scanner sind in der Lage, vollfarbige digitale Abbilder von Objekten und Personen zu erstellen. Aufgrund der Komplexität der Geometrien und Farben sind diese Scans oft nicht für den 3D-Druck geeignet. Diese Scandaten müssen dann noch von einem erfahrenen 3D-Designer für den 3D-Druck aufbereitet werden.
- Konstruktion mit CAD-Programmen: Die meisten CAD-Programme (z. B. Autodesk Inventor & Fusion 360, Solidworks, Creo) ermöglichen die Verwendung von Farben oder Texturen bei der Modellerstellung. Dabei können „full color STEP files“ oder auch vollfarbige Gitternetz-Formate (3MF oder VRML) als Ausgabedateiformate gewählt werden. Die CAD-Programme bieten den großen Vorteil, dass parametrische Modelle erstellt werden, diese sind im Vergleich zu Mesh-Dateien (STL-Format) leichter zu bearbeiten.
- Design mit 3D-Modellierungssoftware: 3D-Modellierung mit Programmen wie ZBrush oder Rhino 3D gleicht eher einer künstlerischen Tätigkeit als technischer Konstruktionsarbeit. Manchmal wird es auch als digitales Bildhauen bezeichnet. Dabei werden Freiformen auf Grundlage von elementaren geometrischen Formen (Kugel, Würfel) verwendet. Diese Art der 3D-Modellierung ist sehr gut für die Erstellung von organischen Formen geeignet, aber weniger gut für die Erstellung von technischen Objekten.
Vollfarbiger 3D-Druck bei 3Faktur
Bei 3Faktur haben Sie Zugriff auf zwei 3D-Drucktechnologien, die vollfarbig drucken können. Darüber hinaus haben wir auch ein System im Angebot, bei dem Sie mehrere Materialien miteinander kombinieren können.
- HP Jet Fusion-vollfarbig: Mit den Multi Jet Fusion Verfahren können die bekannten robusten Polyamide nun auch vollfarbig drucken lassen. Sie erhalten dadurch farbige und funktionale Produkte in der gewohnt kurzen Zeit.
- Colorjet: Die Colorjet-Technologie hat mit der Einführung des farbigen Multi Jet Fusion-Verfahrens an Wichtigkeit verloren. Die mit Colorjet hergestellten Objekte sind aufgrund Ihrer „natürlichen“ Oberfläche bei ästhetischen Modellen (Architektur) noch beliebt und werden weiterhin gefertigt.
- Polyjet: 3Faktur bietet den vollfarbigen Polyjet-3D-Druck nicht an. Wir arbeiten aber mit einem Polyjet-3D-Drucker mit mehreren Druckköpfen, daher sind mehrfarbige oder auch Multi-Material-Bauteile (verschiedene Härten, massiv oder durchsichtig) möglich.
Bei Fragen zu unserem 3D-Druck-Service können Sie sich gern an unseren Kundenservice wenden.
Über 3Faktur: 3Faktur ist ein 3D-Druck-Dienstleister. Wir sind Spezialisten für die Produktionen von Kunststoff-Bauteilen für das Rapid Prototyping und für die Kleinserienfertigung (Rapid Manufacturing). Sollten Sie Fragen zu Ihrem Projekt haben, können Sie uns gern kontaktieren.