Die Farbentwicklung im FFF-3D-Druck

Die Entwicklung der Farbe im FFF 3D-Druck

Fused Filament Fabrication (FFF) 3D-Druck hat in den letzten Jahren eine bedeutende Entwicklung durchlaufen, nicht nur hinsichtlich Präzision oder Materialien, sondern auch in der Art und Weise, wie Farbe in gedruckte Teile integriert wird. Von den Anfängen mit einem einzigen Extruder bis hin zu heutigen Multimaterial-Systemen hat sich die Technologie an die Bedürfnisse der Anwender angepasst, die sowohl Funktionalität als auch Ästhetik suchen.

Bild 1: Monochromatisches Teil neben einem polychromatischen Modell. Quelle: Flickr/Fdecomite

Anfangs erlaubte der FFF-Druck nur die Verwendung einer einzigen Farbe pro Teil, begrenzt durch die Möglichkeiten eines einzelnen Extruders. Wenn also ein mehrfarbiges Ergebnis gewünscht war, musste das Teil aufgeteilt und jeder Abschnitt separat mit einer anderen Farbe gedruckt werden, was entweder ein manuelles Wechseln der Filamentrollen oder den Einsatz mehrerer Drucker parallel erforderte.

Bild 2: Monochrom gedruckte Teile. Quelle: DLA.mil

Mit der Einführung eines zweiten Extruders wurde es möglich, zwei Farben oder Materialien zu kombinieren. Das erste System war das abhängige Dual-Extrusionssystem (zwei Extruder auf einem einzigen Wagen), das den Vorteil bietet, lösliche Stützen oder zweifarbige Modelle mit relativer Einfachheit zu drucken. Es ist wirtschaftlicher und mechanisch einfacher als andere Mehrkopf-Systeme. Allerdings besteht das Risiko von Farbkontamination oder Düsenkollisionen, sofern keine Systeme wie der anhebbaren Kopf von Raise3D verwendet werden, die dieses Risiko eliminieren und den Aufbau effizient und sicher machen. Nachteilig ist, dass das nutzbare Volumen entlang der X-Achse reduziert sein kann und die Wartung durch zwei Hotends statt einem doppelt so hoch ist.

Es gibt auch das IDEX-System — Independent Dual Extruders. Bei diesem System hat jeder Extruder seine eigene X-Achse oder seinen eigenen Wagen. Wenn einer druckt, „parkt“ der andere in einer Ecke, was Interferenzen minimiert und Kontaminationen sowie Kollisionen verhindert. Dies ermöglicht Spiegel- oder Dupliziermodi zur Steigerung der Produktivität, während jeder Wagen weniger Masse trägt, was Präzision und Geschwindigkeit verbessert. Allerdings sind die Kosten höher, die Kalibrierung aufgrund der Kopfausrichtung komplexer, und es werden fortschrittlichere Firmware und mechanische Systeme benötigt. Zusätzlich gilt der Nachteil der Wartung beider Druckköpfe und des reduzierten nutzbaren Volumens auf der X-Achse.

Als Bonus erlaubt diese Konfiguration auch das gleichzeitige Drucken eines Teils in zwei Farben oder das Duplizieren bzw. Spiegeln des Objekts in unterschiedlichen Farben oder die Verwendung verschiedener Materialien – zum Beispiel eines für das Modell und eines für die Stützen.

Bild 3: Teile im Spiegelmodus mit zwei Farben gedruckt. Quelle: Raise3D

Parallel wurden alternative Ansätze zur Erreichung des Mehrfarben-Drucks eingeführt, wie zum Beispiel der XYZ da Vinci Color, der ein Tintenstrahlsystem über weißem Filament integrierte und eine Vollfarblösung bot, jedoch mit technischen Einschränkungen.

Video 1: Einführung in den XYZ da Vinci Color. Quelle: YouTube

Dieser Phase folgten Drucker mit automatischen Werkzeugwechselsystemen, die verschiedene Köpfe verwenden können, um mehrere Farben oder Materialien mit höherer Präzision zu drucken. In diesem Setup kann ein einzelner mobiler Kopf während des Druckens automatisch zwischen verschiedenen Werkzeugen (z. B. Extrudern mit unterschiedlichen Materialien oder Düsen) wechseln. Im Gegensatz zu Mehrmaterialsystemen mit einem einzigen Extruder ist hier jedes Werkzeug unabhängig und dockt je nach Bedarf am Wagen an. Es ist ein komplexes System und daher teuer. Darüber hinaus kann diese Komplexität zu Problemen führen, insbesondere in sensiblen Phasen wie dem Koppeln und Entkoppeln der Extruder.

Bild 4: Multitool-Druckkopf. Quelle: CNC Kitchen

Derzeit ermöglichen Mehrmaterialsysteme wie das Prusa MMU oder das Bambu Lab AMS den Wechsel zwischen mehreren Filamenten von einem einzigen Extruder aus, was wesentlich vielseitigere und detailliertere Mehrfarbdrucke ermöglicht. Diese Systeme lagern Materialspulen in speziellen Einheiten mit eigenem Getriebe- und Motorsystem und führen das Filament zu einem Puffer oder Hub. Dieses Setup sorgt für die richtige Filamentspannung für einen reibungslosen Wechsel, der vom Drucker basierend auf der Farb- und Materialkonfiguration für jeden Druck eingeleitet wird. In vielen Fällen können mehrere Einheiten kombiniert werden, sodass bis zu 24 Farben gleichzeitig in bestimmten Konfigurationen möglich sind (Bambu Lab H2D, 4 AMS 2 Pro und 8 AMS HT).

Bild 5: 2 AMS-Einheiten verbunden mit dem Bambu Lab X1. Quelle: BambuLab

Filamentfarbe

Die Filamentfarbe ist ein entscheidender Faktor im 3D-Druck, wenn eine bestimmte Ästhetik, Oberfläche oder visuelle Kodierung gewünscht wird. Marken haben umfangreiche Farbpaletten und Oberflächen entwickelt, um sowohl funktionalen als auch dekorativen Anforderungen gerecht zu werden.

Bild 6: Mehrfarbige Spulen. Quelle: WikiCommons

Zu den gebräuchlichsten Oberflächen gehören:

• Seide: ein glänzendes und seidiges Aussehen, ideal für dekorative Teile.

• Matt: reduziert Blendung und kaschiert Schichlinien.

• Satin: ein Gleichgewicht zwischen matt und glänzend.

• Glänzend: lebendige Farben mit hoher Oberflächenreflexion.

• Bicolor oder Mehrfarbig: hergestellt mit Pigmentübergängen innerhalb eines einzigen Filaments.

• Farbwechselnd (thermisch oder solar): Farbe ändert sich mit Temperatur oder Licht.

• Leuchtend im Dunkeln: leuchtet im Dunkeln nach Lichteinwirkung.

• Transluzent: lässt Licht mit unterschiedlichen Transparenzgraden durch.

Eine der größten Herausforderungen ist jedoch die Farbkonstanz zwischen Chargen, insbesondere in professionellen Umgebungen, in denen die Wiederholbarkeit über Serien hinweg entscheidend ist. In dieser Hinsicht haben Hersteller wie Fillamentum und Polymaker den Standard gesetzt, indem sie dank strenger Qualitätskontrollen und stabiler Formulierungen eine konsistente Pigmentierung gewährleisten. Dies garantiert, dass bei Verwendung desselben Materials und derselben Farbe sowohl die Oberfläche als auch die Farbe eines Teils selbst beim Wechsel der Spulen konstant bleiben.

Die Bedeutung einer vollständigen und stabilen Farbpalette zwischen Chargen

Bild 7: Farbpalette. Quelle: CreativeCommons

Eine vollständige und konsistente Farbpalette erweitert nicht nur die kreativen Möglichkeiten, sondern ist auch ein Schlüssel zur Produktivität im professionellen Umfeld. Ergänzt wird dies durch die Notwendigkeit der Chargen-Konsistenz, um Farbabweichungen zu vermeiden, die eine Serie von Teilen ruinieren oder unnötige Anpassungen erfordern könnten. Für das Farbmanagement gibt es mehrere Standards, von denen die bekanntesten sind:

Pantone, bei dem jede Farbe einen einzigartigen Code hat (z. B. Pantone 205 C), was Konsistenz zwischen Drucker, Hersteller und Designer sicherstellt. Es gibt auch Varianten für Verpackungen, Kunststoffe und verschiedene Oberflächen (beschichtet, unbeschichtet, matt usw.).

RAL, in Deutschland entwickelt zur Standardisierung von Farben, Beschichtungen und technischen Kunststoffen, besteht aus mehreren Kollektionen:

• RAL Classic, weit verbreitet in Architektur und Industrie
• RAL Design, basierend auf dem CIELAB-Farbraum für präzisere Gestaltung
• RAL Effect, metallische und Standardtöne formuliert mit wasserbasierten Farben
• RAL Plastics: spezielle Anpassungen von Classic/Design für Kunststoffe
• NCS (Natural Color System), basierend auf menschlicher Farbwahrnehmung, verwendet in Architektur und Raumgestaltung

Munsell klassifiziert Farben nach Farbton, Helligkeit und Sättigung und wird häufig in Malerei und Kunstausbildung verwendet.

Polymakers Panchroma-Filamente sind darauf ausgelegt, eine fortschrittliche Farbkonstanz zu bieten. Obwohl sie nicht direkt in Standard-Systeme wie Pantone oder RAL integriert sind, ermöglichen sie eine Annäherung durch die HEX-Werte ihrer Farben:

Jede Farbe der Panchroma-Reihe (über 150 Kombinationen und 17 Oberflächen) wird werkseitig mit präzisen HEX-Codes validiert, die eine Zuordnung zu Pantone- oder RAL-Grafik-/Industrienormen durch digitale Umrechnung erlauben. Mit dem exakten HEX-Wert (z. B. „#1C1C1C“ für Charcoal Black) können Fachleute Online-Tools oder spezielle Software nutzen, um den nächstliegenden Pantone- oder RAL-Farbton zu finden.

In diesem Zusammenhang sticht Panchroma als All-in-One-Lösung hervor. Diese von Polymaker entwickelte Reihe bietet:

• Eine breite Palette an einfarbigen und Spezialfarben – sodass immer eine Option zur Auswahl steht.
• Verschiedene Oberflächen (matt, seidig, satin usw.), die auf jede Anwendung zugeschnitten sind. Kombinationen für spektakuläre Ergebnisse sind möglich.
• Hohe Farbgleichmäßigkeit zwischen Spulen und Chargen dank präziser Formulierung – keine Inkonsistenzen mehr von Spule zu Spule.
• Volle Kompatibilität mit Multi-Material- und Mehrfarben-Systemen für nahtlose Übergänge in Systemen wie AMS oder MMU. Materialien und Dimensionen sind für diese Setups vollständig optimiert.

Bild 8: Die umfangreiche Vielfalt der verfügbaren Optionen in Panchroma. Quelle: Polymaker

Einer der Hauptvorteile von Panchroma ist, dass alle Farben sowohl visuell als auch technisch (Temperaturen, Schrumpfung, Haftung usw.) zusammenarbeiten. So sind qualitativ hochwertige Mehrfarben-Drucke ohne Kompromisse bei der Prozesssicherheit möglich.

Außerdem finden sich zahlreiche Beispiele von mit Panchroma gedruckten Teilen auf der Polymaker-Webseite und in den sozialen Medien, die die Vielseitigkeit des Systems in künstlerischen, funktionalen, pädagogischen und Produktdesign-Projekten zeigen.

Es ist erwähnenswert, dass die früheren PolyTerra- und PolyLite-Filamente unter der Marke Panchroma zusammengefasst wurden, wobei ihre Eigenschaften beibehalten und ein neues Benennungs- und Kompatibilitätssystem eingeführt wurde, das die Auswahl für Anwender vereinfacht.

Fazit

Der FFF-3D-Druck hat die Barriere begrenzter Farbwahl bereits überwunden. Dank Fortschritten in der Hardware und der Entwicklung von Filamentreihen wie Panchroma ist es jetzt möglich, Mehrfarbergebnisse mit Präzision, Ästhetik und Zuverlässigkeit zu erzielen. Die Kombination aus einer kohärenten Farbpalette, vielfältigen Oberflächen und Chargenkonsistenz macht Panchroma heute zu einem Maßstab im Mehrfarben-Ökosystem.

In einem Kontext, in dem visuelle Qualität genauso wichtig ist wie Funktionalität, wird ein robustes und vorhersehbares Farbsystem zu einem Wettbewerbsvorteil für Designer, Hersteller und 3D-Druck-Profis.