3D printen in kleur

Of het om gepersonaliseerde gadgets gaat of een prototype waarmee u indruk wil maken op potentiële klanten of investeerders – 3D geprinte objecten kunnen zo nu en dan wat kleur gebruiken. Een laagje verf kan wonderen doen, zoals men zegt, maar een paar technologieën laten het ook toe om direct kleurencombinaties of zelfs full colour prototypes te printen.

Wie een beetje thuis is in 3D printen denkt bij kleurenprinters allicht meteen aan de PolyJet printers van Stratasys. Deze machines maken gebruik van een technologie die Material Jetting (MJ) heet. Daarbij wordt een fotogevoelig polymeer dat in zijn natuurlijke toestand vloeibaar is, aangebracht via een soort inkjet technologie. In die printkop zit ook een UV lamp die het polymeer, eens het aangebracht is op het werkstuk, doet uitharden.

Om het proces een beetje vooruit te doen gaan zitten in zo een printkop meerdere nozzles die telkens heel fijne druppeltjes aanbrengen. Meerdere nozzles – dat betekent ook dat men verschillende vloeistoffen kan gebruiken en dus ook meerdere kleuren. Door cyaan, magenta en geel te combineren kan dan in principe eender welke kleur gevormd worden.

De Polyjet printers van Stratasys zijn allicht de meest gekende kleurenprinters die werken volgens deze technologie. Dankzij de fijne druppeltjes werken de machines zeer nauwkeurig, tot laagdiktes van slechts een paar tientallen micron. Dat leidt niet alleen tot een hoge vormnauwkeurigheid maar betekent ook dat er heel precies met de kleuren gespeeld kan worden. Deze high-end prestaties vertalen zich echter ook in de kostprijs die al snel meer dan 100.000 euro bedraagt.

Jet Fusion

Inkjet technologie is de cruciale factor in het aanbrengen van kleur en er is nog een techniek in het 3D printen die daar gebruik van maakt en dat is Binder Jetting (BJ). Bij deze techniek wordt net als bij SLS en SLM een poederbed gebruikt, maar in plaats van de korreltjes aan elkaar te hechten met een laser doet men dat in Binder Jetting door een bindmiddel aan te brengen.

Binnen Binder Jetting bestaan er dan nog eens twee verschillende technieken.

Bij metaalkorrels wordt een bindmiddel gebruikt dat de korreltjes voorlopig aan elkaar hecht tot het product nadien in een oven gaat waar de echte hechting gebeurt door middel van sinteren.

Bij kunststoffen daarentegen is het mogelijk om een bindmiddel te gebruiken dat direct een afgewerkt product oplevert. In de printer wordt dan typisch met een IR-warmtebron gewerkt die er toe bijdraagt dat de korreltjes en het bindmiddel goed aan elkaar hechten. Door een gekleurd bindmiddel of een combinatie van meerdere kleuren te gebruiken kunnen daarmee ook objecten in kleur gemaakt worden.

HP is met zijn Jet Fusion een van de meest gekende adepten van deze technologie. Het bedrijf kon er zijn ervaring in klassieke inkjet printers vrij letterlijk vertalen naar 3D printen. Ook 3D Systems heeft met de ProJet een kleurenprinter op basis van Binder Jetting. De toestellen zitten qua prijsklasse in het gebied tussen 50.000 en 100.000 euro.

Kleurstof toevoegen aan filament

Dat printen in kleur echter ook veel goedkoper kan bewijst het Taiwanese XYZPrinting met zijn Da Vinci machines. Het bedrijf ontwikkelde een innovatieve uitbreiding op Fused Deposition Modeling (FDM). Dat is de technologie die steevast gebruikt wordt in hobbyprinters, met een filament dat in de printkop gesmolten wordt om het druppelsgewijs op een werkstuk aan te brengen.

De uitbreiding van XYZPrinting bestaat erin om in de printkop in de smeltfase een kleurstof toe te voegen aan het filament, dus net voor de druppeltjes aangebracht worden op het werkstuk. Door daarbij combinaties van cyaan, magenta en geel toe te voegen kan de printer full colour printen. De nauwkeurigheid van FDM is beduidend lager dan die van de eerder aangehaalde printers en dat geldt dus ook voor de aflijning van de kleurvlakken maar met een kostprijs van slechts een paar duizend euro zit de printer sowieso in een ander marktsegment.

Overigens heeft XYZPrinting twee jaar geleden een patent aangevraagd om nog een andere printtechniek van kleur te voorzien, en dat is Stereolithografie (SLA). Bij die techniek wordt een fotogevoelig polymeer in een bad aan het vloeistofoppervlak uitgehard met behulp van een laser. Waar het bedrijf volgens het patent aan werkt is een machine die kleurstoffen kan spuiten op de plaats waar de laser schijnt zodat het polymeer tijdens het uitharden gekleurd kan worden. Het bedrijf heeft echter nog geen concrete aankondiging gedaan van een dergelijke machine en het is dus ook nog lang niet zeker of de idee ook echt tot een werkbaar product zal leiden.

Langs binnen geschilderd

Een andere creatieve oplossing om tot 3D prints in kleur te komen werd bedacht door Materialise dat daarbij handig gebruikmaakt van een specifieke functie in zijn medische software Mimics inPrint. In de medische wereld wordt die software onder meer gebruikt om op basis van scans 3D modellen te maken van de anatomie van patiënten. Die modellen worden dan gebruikt voor diagnose en om medische ingrepen voor te bereiden.

Het gebruik van kleur in dergelijke modellen kan tot een beter inzicht leiden, bijvoorbeeld door verschillende organen of weefsels een ander kleurtje te geven, maar de eerder aangehaalde printers zijn daarvoor dan weer net iets te duur.

De oplossing die bedacht werd maakt gebruik van een gewone SLA printer die transparante modellen print. Met de Mimics inPrint software kunnen de delen van het model die men wil kleuren, vooraf hol gemaakt worden, met een paar drainagegaten naar buiten. Die gaten zorgen ervoor dat het niet uitgeharde hars nadien uit de holtes kan lopen en men kan ze vervolgens gebruiken om de holtes te vullen met een kleurstof – in casu een mengsel van acrylverf en primer. Zo worden de delen van het model die men gekleurd wil hebben in feite langs binnen geschilderd.

Hoewel de software een handig hulpmiddel is om de nodige holtes quasi automatisch te genereren vergt het kleuren op deze manier uiteraard wel wat extra werk. Het voordeel is dat de methode weinig investering vergt en dat men de voordelen van SLA (snelheid van printen, gladde oppervlakken) kan benutten bij het 3D printen in kleur.

© Productivity.be, 08/04/2020, Foto: 3D Systems