DE102019001694A1

DE102019001694A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines farbigen Filaments für den 3D-Druck

Info

Publication number: DE102019001694A1
Application number: DE102019001694.7A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Haase; Marian Segelken; Fabian Duske
Original assignee: Hochschule Bremen
Current assignee: Hochschule Bremen
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2020-09-17

Abstract

Mittels 3D-Druck-Methoden können überwiegend nur einfarbige Kunststoffe zum Drucken von Objekten verarbeitet werden. Methoden, welche Filamente mit unterschiedlichen Farben verwenden, liefern ein schlechtes Druckergebnis. Die Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung (17) zur Herstellung eines farbigen Filaments (19) für den 3D-Druck. Das wird dadurch erreicht, dass ein farbiges Filament (19) aus einem farbneutralen Basisfilament (18) hergestellt wird. Dazu wird das Basisfilament (18) aufgeschmolzen, komplett mit Farbpigmenten mindestens einer Farbe durchmischt und nach dem Wiedererstarren des durchgängig chromatisierten Filaments (19) selbiges für den 3D-Druck bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines farbigen Filaments aus einem farbneutralen Basisfilament für die Verwendung in einem 3D-Drucker gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines farbigen Filaments gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Mittlerweile wird das Drucken von dreidimensionalen Objekten nicht nur in der Industrie verwendet, um beispielsweise Prototypen zu fertigen, sondern auch im privaten Bereich, um beispielsweise Ersatzteile oder eigene Kreationen günstig und individuell herzustellen. Dazu steht dem Anwender eine bedienerfreundliche Oberfläche zur Verfügung, über die entsprechende Daten eingegeben werden können, um das gewünschte dreidimensionale Objekt zu drucken. Die Qualität der gedruckten Gegenstände bzw. die Detailgenauigkeit sowie die Oberflächengüte genügt höchsten Anforderungen.
Insbesondere das fused deposition modeling (FDM)-Verfahren bzw. die fused filament fabrication (FFF) oder das fused layer manufacturing (FLM) hat sich als Desktop-Variante auch für den Heimgebrauch etabliert. Bei diesem FDM-Verfahren wird das zu druckende Objekt schichtweise durch aufgeschmolzenen Kunststoff in vertikale Richtung aufgebaut. Dabei wird über eine Düse, die sich in zwei Dimensionen parallel über einen Untergrund verfahren lässt, das verflüssigte Kunststoffmaterial auf dem Untergrund aufgebracht, wobei sich der Untergrund schrittweise oder kontinuierlich nach unten bewegt, sodass das Objekt von unten nach oben generiert wird.
Ein Nachteil dieser 3D-Druck-Methode besteht darin, dass bisher überwiegend nur einfarbiger Kunststoff verwendet werden kann und somit das gedruckte Objekt ggf. aufwendig nach koloriert werden muss. Es sind mehrfarbige 3D-Drucker bekannt, die direkt an der Düse bzw. an dem Druckkopf Farbe auf das eingeschmolzene Filament für den Druck aufbringen. Dies führt jedoch zu einem unerwünschten Farbverlauf und einer ungenauen bzw. unbefriedigenden Verteilung der Farbe innerhalb des Objektes. Es ist außerdem bekannt, dass für das FDM-Verfahren bereits vorgefärbte Filamente eingesetzt werden. Diese vorgefärbten Filamente weisen jedoch lediglich eine Einfärbung ihrer Oberfläche auf, sodass letztendlich für die Erstellung eines farbigen Modells zu wenig Farbpigmente in dem Filament enthalten sind und wiederum ein unbefriedigender Farbverlauf entsteht. Insbesondere durch das notwendige komplette Aufschmelzen der vorgefärbten Filamente wird die Konzentration bzw. die Dichte der Farbpigmente auf das gesamte Volumen des Filaments verteilt und die Farbintensität reduziert. Außerdem sind bekannte Systeme für einen farbigen 3D-Druck sehr teuer und somit für den Heimgebrauch wenig attraktiv.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines farbigen Filaments für den 3D-Druck zu schaffen, durch welches eine verbesserte Einfärbung des zu druckenden Objektes erzielt werden kann, die sich auch für den Heimgebrauch eignet.
Ein Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe weist die Maßnahmen des Anspruchs 1 auf. Demnach ist es vorgesehen, dass ein farbiges, insbesondere ein monochromatisches oder ein multichromatisches, Filament aus einem farbneutralen Basisfilament hergestellt wird. Dazu wird das Basisfilament aufgeschmolzen, komplett mit Farbpigmenten mindestens einer Farbe durchmischt und nach dem Wiedererstarren des durchgängig chromatisierten Filaments selbiges für den 3D-Druck bereitgestellt. Durch das Aufschmelzen des farbneutralen bzw. transparenten bzw. quasi transparenten oder weißen Basisfilaments und der kompletten Durchmischung des aufgeschmolzenen Materials mit den Farbpigmenten wird ein farbiges Filament hergestellt, welches eine hohe Qualität an Farbechtheit bzw. Einfärbung des zu druckenden 3D-Objektes aufweist. Das sodann durchgängig chromatisierte Filament kann entweder direkt in einen 3D-Drucker geführt werden oder zunächst auf eine Spule aufgewickelt werden, um zu einem späteren Zeitpunkt für den 3D-Druck verwendet zu werden. Dadurch lassen sich bereits vor dem 3D-Druckverfahren sämtliche benötigte Farbtöne individuell erstellen bzw. vorbereiten. Außerdem lässt es dieses Verfahren zu, ein chromatisiertes Filament zu erschaffen, das in sich verschiedene Farbübergänge aufweist, um ein mehrfarbiges Objekt mittels eines einzigen Filaments herzustellen. Durch die Verwendung vorchromatisierter Filamente kann eine hohe Qualität bzgl. der Farbgebung des zu druckenden Elementes erreicht werden.
Bevorzugt kann es das Verfahren außerdem vorsehen, dass die verschiedenen farbigen Farbpigmente individuell dosiert in einer flüssigen oder festen Verbindung oder in Form von aufgeschmolzenen monochromatischen Filamenten einer Mischstrecke zugeführt werden, wobei die Farbpigmente mit dem aufgeschmolzenen Material des Basisfilaments in der Mischstrecke durchmischt werden. Je nachdem, wie das Filament einzufärben ist, werden verschiedenfarbige Pigmente zusammengemischt, um so jede denkbare Farbe eines Farbkreises zu erzeugen. Dabei kann durch die dosierte Zugabe des Farbpigmentes bzw. der Farbpigmente in die Mischstrecke nicht nur der Farbton eingestellt werden, sondern auch die Stärke des Farbtons. Bei der Mischung eines Mischverhältnisses der verschiedenen Farbpigmente wird auch die eigene Farbe des Basisfilaments berücksichtigt. Es kann vorgesehen sein, dass die Farbpigmente in fester Form bzw. in Pulverform vorliegen. Außerdem ist es denkbar, dass die Farbpigmente als flüssige Verbindung bzw. Tinte vorliegen. Ein weiteres Ausführungsbeispiel kann es vorsehen, dass die Farbpigmente selbst in Form von farbigen Filamenten bereitgestellt werden, die für die Mischung mit dem Basisfilament zunächst aufzuschmelzen sind.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass verschiedene Farbpigmente durchmischt durch eine Einspritzung der Mischstrecke zugeführt werden oder, dass der Mischstrecke mehrere Einspritzungen, vorzugsweise drei, fünf oder sechs Einspritzungen, zugeordnet sind, wobei durch jede Einspritzung Farbpigmente einer Farbe, insbesondere Weiß, Schwarz, Blau, Gelb und Rot bzw. Cyan, Gelb oder Magenta oder andere Farben, der Mischstrecke dosiert zugeführt werden, um eine beliebige Einfärbung des Basisstranges zu erzielen. Durch Variation der fünf genannten Pigmentfarben bzw. -töne lässt sich jeder gewünschte Farbton individuell erstellen und der Mischstrecke zuführen. Auf diese Weise lassen sich kundenspezifisch bzw. anwendungsspezifisch chromatisierte bzw. kolorierte Filamente herstellen, welche eine bestimmte Farbe aufweisen.
Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung kann es vorsehen, dass das aufgeschmolzene Material und die Farbpigmente in der Mischstrecke durch Mischelemente, vorzugsweise Zahnräder oder dergleichen, homogenisiert werden. Dabei können Zahnräder derartig gegeneinander in der Mischstrecke drehbar gelagert sein, dass die Farbpigmente mit dem aufgeschmolzenen Material des Basisfilaments komplett homogenisiert werden. Alternativ zu Zahnrädern sind auch andere Mischelemente denkbar, wie beispielsweise Schaufelelemente oder Schneckenräder. Durch diese komplette Durchmischung der Pigmente und des Basismaterials erfolgt eine Kolorierung des Filaments nicht nur an der Oberfläche, sondern auch im Volumen selbst. Nur dadurch lässt sich beim späteren FDM-Verfahren, bei dem das eingefärbte Filament wieder aufgeschmolzen wird, eine Farbgebung des Objektes erreichen, welche den höchsten Anforderungen genügt.
Weiter kann es insbesondere vorgesehen sein, dass das Filament bzw. das aufgeschmolzene Filament durch die Mischstrecke gezogen wird und eine Stärke des Filaments durch Variation der Zugkraft verändert wird, wobei die Stärke des chromatisierten Filaments nach Austritt aus der Mischstrecke ermittelt wird. Das Basisfilament wird dabei wie bei einem Extruder durch die Mischstrecke bzw. Mischkammer gezogen. Dabei kann das Filament zusätzlich durch einen Filamentantrieb, der vor der Mischstrecke angeordnet ist, in die Mischstrecke hineingeschoben bzw. -gepresst werden. Durch den Filamentantrieb wird das Basisfilament von einer Filamentspule abgespult. Es kann außerdem vorgesehen sein, dass direkt nach der Mischstrecke das aufgeschmolzene Material bzw. das noch heiße oder warme gefärbte Filament durch eine Kühlung gekühlt wird, um den Prozess des Erstarrens zu beschleunigen. Direkt im Anschluss kann sodann mittels eines Sensors der Durchmesser bzw. die Stärke des eingefärbten Filaments bestimmt werden. Als Sensor bietet sich beispielsweise ein Abstandssensor oder ein Laser an, wobei die Abschattung des Lasers durch das Filament von Fotozellen ermittelt wird und daraus die Stärke bzw. Durchmesser des Filaments abgeleitet wird. Sobald der gemessene Durchmesser von einem vorgegebenen Soll-Wert des Filaments abweicht, kann über Ansteuerung des Filamentantriebs bzw. des Filamentfördersystems, der Heizung oder der Kühlung der Durchmesser bzw. die Stärke des Filaments korrigiert werden. Insbesondere durch eine Beschleunigung der Förderung des Filaments kann der Durchmesser reduziert werden. Dabei ist ggf. die Kühlung bzw. die Heizung anzupassen, damit es nicht zu einem Abriss des Filaments kommt.
Neben der Erfassung des Durchmessers kann es außerdem vorgesehen sein, dass über einen entsprechenden Sensor die Farbe des eingefärbten Filaments überprüft wird. Dies kann beispielsweise durch einen CCD-Chip erfolgen, der sodann ein aufgenommenes Bild des kolorierten Filaments mit einer Soll-Einfärbung aus einer Farbbibliothek vergleicht. Sobald zwischen dem Soll- und dem Ist-Wert der Einfärbung ein Unterschied festgestellt wird, kann dies durch eine entsprechende Ansteuerung der Einspritzungen der verschiedenen Farben korrigiert werden.
Vorzugsweise sieht es eine weitere Ausführungsform der Erfindung vor, dass ein Mischverhältnis der zugeführten Farbpigmente variiert wird, sodass das chromatisierte Filament eine Vielzahl von Farbübergängen aufweist zum Drucken eines mehrfarbigen Gegenstandes mit einem einzigen Filament. Diese Variation kann vollständig automatisiert durch einen Prozessrechner und entsprechende Ansteuerung der Einspritzungen erfolgen. Der Benutzer hat somit lediglich einen Druckauftrag zu formulieren, um ein entsprechendes eingefärbtes Filament zu erzeugen.
Darüber hinaus kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Mischstrecke über die mindestens eine Einspritzung neben Farbpigmenten weitere Zuschlagstoffe, wie beispielsweise Metallpulver, Glitzerpulver, spezielle Kunststoffe oder dergleichen oder Gase, wie zum Beispiel Luft, zugeführt werden. Insbesondere die Beimischung eines elektrisch leitfähigen Metalls kann genutzt werden, um dem zu druckenden Objekt eine wenigstens partielle elektrische Leitfähigkeit beizufügen. Die gleiche Beimischung kann auch für die Erzeugung einer lokalen oder globalen thermischen Leitfähigkeit des Objektes genutzt werden. Außerdem können durch die Beimischung eines Glitzerpulvers bestimmte Bereiche des Objektes hervorgehoben werden. Durch die Beimischung eines Gases kann beispielsweise dem Filament ein Sollbruch bzw. eine Perforation zugeführt werden, an der das Filament sich besonders bevorzugt und einfach reißen lässt.
Weiter kann es vorgesehen sein, dass Daten aus einer Materialbibliothek und/oder einer Farbbibliothek verwendet werden, um Herstellungsparameter, wie Vorschub, Temperatur, Druck- und Farbmischverhältnis, computerisiert zu bestimmen und um entsprechende Steuerbefehle an eine Vorrichtung zur Herstellung des farbigen Filaments zu übertragen. Durch diese wenigstens nahezu vollständige Automatisierung des Prozesses zur Erzeugung eines farbigen Filaments lassen sich individuell eingefärbte Farbfilamente für den 3D-Druck auf eine besonders einfache und günstige Art und Weise herstellen. Durch die Ausgliederung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus dem 3D-Drucker kann die Vorbereitung bzw. Erstellung des farbigen Filaments unabhängig und ungestört von dem 3D-Druck erfolgen und stört bzw. beeinträchtigt auch nicht den 3D-Druck an sich. So lassen sich kundenspezifisch bzw. anwendungsspezifisch nahezu auf Knopfdruck beliebig eingefärbte Filamente erstellen, die sodann dem 3D-Druck zugeführt werden können.
Dadurch lassen sich 3D-Objekte jeglicher Einfärbung auf eine schnelle, einfache sowie farblich herausragende Art und Weise generieren.
Eine Vorrichtung zur Herstellung eines farbigen Filaments aus einem farbneutralen Basisfilament zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe weist die Merkmale des Anspruchs 9 auf. Demnach ist es vorgesehen, dass einer Mischstrecke, durch die das Basisfilament aufgeschmolzen hindurchtransportierbar ist, mindestens ein Kanal zugeordnet ist, über den Farbpigmente der Mischkammer dosiert zuführbar sind. In dieser Mischstrecke wird das aufgeschmolzene Basisfilament mit den hinzugefügten Farbpigmenten komplett homogenisiert, sodass ein durchgängig eingefärbtes Filament erstellt wird, welches sodann dem 3D-Drucker zuführbar ist. Durch den mindestens einen Kanal lassen sich die Farbpigmente, insbesondere unterschiedlicher Farbtöne, gezielt und fein dosiert zuführen. Durch die Zusammenführung der Pigmente und des aufgeschmolzenen Materials des Basisfilaments kann eine komplette Durchmischung der Materialien erreicht werden.
Bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass die Mischstrecke zur kompletten Durchmischung des aufgeschmolzenen Basisfilaments und der Farbpigmente mindestens ein Mischelement, insbesondere Zahnräder, aufweist. Die insbesondere rohr- oder röhrchenartige Mischstrecke kann ein oder mehrere Zahnräder aufweisen, die derart durch das aufgeschmolzene Material und die zugeführten Farbpigmente rotieren, dass eine komplette Durchmischung der Materialien erzielt werden kann. Alternativ sind auch Mischelemente, wie beispielsweise Wende-, Schraubenelemente oder Schaufelelemente, denkbar. Dabei ist die Mischstrecke bzw. der Bereich vor der Mischstrecke derart beheizbar, dass das zugeführte Basisfilament aufschmilzt. Bei dem Basisfilament kann es sich um einen Kunststoff handeln, der für das FDM-Verfahren geeignet ist.
Vorzugsweise kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Farbpigmente in einer flüssigen oder festen Verbindung oder in Form von aufgeschmolzenen monochromatischen Filamenten der Mischstrecke zuführbar sind, wobei für die Dosierung der Pigmente die Vorrichtung Ventile, Pumpen oder gesteuerte Vortriebe für die monochromatischen Filamente aufweist. Diese Mittel zur Dosierung sind einer Einspritzung oder mehreren Einspritzungen zugeordnet. Bei den Einspritzungen kann es sich um die Kanäle handeln, die mit der Mischstrecke verbunden sind. Die Dosierungsmittel, insbesondere die Ventile, Pumpen oder Vortriebe sind mit einer Steuereinheit verbunden und lassen sich gezielt sowie automatisiert ansteuern, um die zuzuführenden Pigmente genauestens zu dosieren. Über die Ansteuerung der Dosierungsmittel lässt sich auch ein Mischverhältnis verschiedenfarbiger Farbpigmente bzw. Zuschlagsstoffe steuern.
Weiter kann es vorgesehen sein, dass der Mischstrecke folgend eine Kühlung für das aufgeschmolzene Material vorgesehen ist und ein Sensor zur Bestimmung einer Stärke des farbigen Filaments, wobei insbesondere eine Förderung und/oder die Kühlung des Filaments in Abhängigkeit von der ermittelten Stärke des Filaments steuerbar veränderbar ist.
Darüber hinaus kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Vorrichtung einem 3D-Drucker direkt vorschaltbar ist bzw. dass die Vorrichtung direkt an einen 3D-Drucker koppelbar ist oder, dass eine Spule mit dem hergestellten farbigen Filament dem 3D-Drucker direkt, vorzugsweise automatisiert, zuführbar ist. Durch diese Zuordnung der Vorrichtung zu einem 3D-Drucker lässt sich das eingefärbte Filament direkt weiterverarbeiten, was zu einem sehr effizienten und somit zeitsparenden Druckverfahren führt. Gleichermaßen ist es jedoch auch vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Herstellung des farbigen Filaments und des 3D-Drucks örtlich komplett voneinander entkoppelt sind. So ist es denkbar, dass Benutzer eines 3D-Druckers sich für die Generierung spezieller Objekte zunächst entsprechende eingefärbte Filamente individuell anfertigen lassen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

1 eine Darstellung eines 3D-Druckers,
2 eine Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines farbigen Filaments,
3 eine Darstellung einer Mischstrecke für die Herstellung des farbigen Filaments, und
4 ein Blockschaltbild für die Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines farbigen Filaments.

Um ein dreidimensionales Objekt mittels eines 3D-Druckers 10 herzustellen, wird ein Filament 11 dem Drucker 10 bzw. einem Druckkopf 12 zugeführt. Dieser Druckkopf 12 wird sodann gesteuert von einer Steuereinheit entlang einer X-Achse 13 und einer Y-Achse 14 parallel zu einer Platte 15 bewegt, um den zu druckenden Gegenstand herzustellen. Bei dem in der 1 dargestellten Drucker 10 handelt es sich um einen FDM- (fused deposition model) Drucker. Bei einem derartigen Drucker 10 bzw. bei dem FDM-Verfahren wird das Objekt schichtweise gedruckt. Dazu wird zunächst eine Schicht durch Verfahren des Druckkopfes 12 entlang der Achsen 13 und 14 erstellt. Sobald eine Schicht fertig ist, wird die Platte 15 entlang einer Z-Achse 16, die senkrecht zu den Achsen 13 und 14 ausgerichtet ist, nach unten bewegt. Diese Bewegung entlang der Z-Achse 16 kann kontinuierlich oder schrittweise erfolgen. Auf diese Weise „wächst“ das zu druckende Objekt von unten nach oben.
Bei diesem Verfahren wird das Filament 11, bei dem es sich um einen Kunststoff handelt, aufgeschmolzen und in der aufgeschmolzenen Form von dem Druckkopf bzw. einer Düse auf die Platte 15 bzw. auf vorherige Schichten aufgetragen. Mit dem in der 1 dargestellten 3D-Drucker 10 lässt sich ein Objekt nur in einer Farbe drucken. Eine Kolorierung des Objektes ist nicht möglich, bzw. muss später nach Beendigung des Druckvorgangs erfolgen.
Um auch mit einem 3D-Drucker, wie er in 1 dargestellt ist, farbige Objekte drucken zu können, sieht es die vorliegende Erfindung vor, mittels einer Vorrichtung 17 ein, insbesondere farbneutrales, Basisfilament 18 vor dem 3D-Druck einzufärben (2). Das eingefärbte Filament 19 kann sodann auf eine Spule 20 aufgerollt werden und zu einem späteren Zeitpunkt für einen 3D-Druck verwendet werden. Gleichermaßen ist es denkbar, dass das eingefärbte Filament 19 direkt in den 3D-Drucker 10, wie in 1 für das Filament 11 dargestellt, eingeführt wird, um ein farbiges Objekt zu drucken. Dazu kann die Vorrichtung 17 dem Drucker 10 direkt vorgeordnet sein oder direkt mit dem Drucker 10 gekoppelt sein.
Für die Einfärbung des Filaments 19 ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Basisfilament 18 von einer Basisfilamentspule 21 einer Mischstrecke 22 bzw. Mischkammer zugeführt wird. Dabei wird das Basiselement 18 durch einen Filamentantrieb 23 der rohrartigen Mischstrecke 22 zugeführt bzw. durch diese hindurchgeführt (3). In dieser Mischstrecke 22 oder bereits vor der Mischstrecke 22 wird das Basisfilament 18 aufgeschmolzen. Nach dem Aufschmelzen und dem Verlassen der Mischstrecke 22 wird das aufgeschmolzene Material in einer Kühlung 24 abgekühlt, damit das eingefärbte Filament 19 erstarrt. Um die Förderung des Basisfilaments 18 durch die Mischstrecke 22 zu fördern bzw. zu steuern oder steuern zu können, ist in Fertigungsrichtung betrachtet hinter der Kühlung 24 ein Filamentfördersystem 25 angeordnet. Bei diesem Filamentfördersystem 25 kann es sich, wie in der 3 dargestellt, um zwei gegenläufige Walzen bzw. Rollen handeln, die das Filament 19 abtransportieren. Bei diesem Extrusionsverfahren wird somit das Basisfilament 18 durch den Filamentantrieb 23 und das Filamentfördersystem 25 durch die Mischstrecke 22 bzw. den Extruder transportiert.
Für die Einfärbung des Basisfilaments 18 ist der Mischstrecke 22 eine Einspritzung 26 zugeordnet. Diese Einspritzung 26 kann, wie in der 3 dargestellt, einen Kanal 27 aufweisen, der mit einem oberen Bereich 28 der Mischstrecke 22 verbunden ist. Es ist jedoch auch vorgesehen, dass die Einspritzung 26 mehrere, insbesondere drei, fünf oder sechs, Kanäle 27 aufweist, die allesamt mit dem oberen Bereich 28 der Mischstrecke 22 verbunden sind.
Der Kanal 27 ist außerdem mit einem Dosiermittel 29 und einem Farbpigmentdepot 30 verbunden. Die Farbpigmente können in dem Depot 30 flüssig in einer Art Suspension bzw. Tinte gespeichert sein oder in fester Form, wie beispielsweise einem Pulver. Außerdem ist es denkbar, dass die Farbpigmente für die Einfärbung des Basisfilaments 18 selbst als farbiges Filament vorliegen.
Die Farbpigmente können sodann über das Dosiermittel 29 und den Kanal 27 der Mischstrecke 22 zudosiert werden. Je nach Art bzw. Form der Farbpigmente kann es sich bei dem Dosiermittel 29 um eine Pumpe, ein Ventil oder ein sonstiges Filamentantriebssystem handeln. Es ist denkbar, dass in dem Depot 30 mehrere Farbtöne enthalten sind, welche über das Dosiermittel 29 auch gemischt und sodann über den Kanal 27 der Mischstrecke 22 zugeführt werden. Über eine entsprechende Mischung der verschiedenen Farbpigmente lässt sich sodann nahezu jeder beliebige Farbton bzw. Einfärbung des Basisfilaments 18 erzielen. Alternativ ist es außerdem denkbar, dass der Mischstrecke 22 mehrere Kanäle 27 mit entsprechenden Dosiermitteln und Depots zugeordnet sind. Beispielsweise ist es denkbar, dass für die Farbtöne Weiß, Schwarz, Blau, Gelb und Rot bzw. Cyan, Gelb sowie Magenta oder andere Farben jeweils ein Kanal 27 mit einem eigenen Dosiermittel 29 sowie Depot 30 vorgesehen ist. Durch gezielte bzw. dosierte Zugabe der einzelnen Farbpigmente in die Mischstrecke 22 ist sodann ebenfalls ein Filament 19 mit beliebiger Farbeigenschaft herzustellen.
In der Mischstrecke 22 wird das aufgeschmolzene Material des Basiselements 18 mit den zudosierten verschiedenfarbigen oder einfarbigen Farbpigmenten durchmischt. Dazu ist es vorgesehen, dass in der Mischstrecke 22 Mischelemente 31 angeordnet sind, um das aufgeschmolzene Material des Basisfilaments 18 voll umfänglich mit den Pigmenten zu vermischen bzw. zu homogenisieren. Bei den Mischelementen 31 kann es sich beispielsweise um sich drehende Zahnräder, um Schaufelelemente oder Schneckenräder handeln, welche das Material in einer ausreichenden Art und Weise durchmischen. Dabei ist die Mischstrecke 22 gerade derart bemessen, dass am Ende 32 der Mischstrecke 22 die Durchmischung vollendet ist. Sodann wird, wie oben beschrieben, das fertige Filament 19 abgekühlt und abgefördert.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass dem Ende 32 folgend das eingefärbte Filament 19 durch einen Sensor 33 erfasst wird. Bei diesem Sensor kann es sich beispielsweise um einen Laser handeln, der in Zusammenspiel mit einer Fotodiode den Durchmesser des fertigen Filaments 19 ermittelt. Dabei wird ein Schattenwurf des Filaments 19 des Laserstrahls durch das Fotoelement vermessen und anhand der Größe des Schattens Rückschlüsse auf den Durchmesser erstellt. Sofern der ermittelte Durchmesser nicht einem Soll-Durchmesser entspricht, werden, insbesondere automatisiert, entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen, um den Durchmesser des Filaments 19 zu korrigieren. Bei diesen Gegenmaßnahmen kann es sich um eine Änderung der Fördergeschwindigkeit, der Kühlung, der Erhitzung oder dergleichen handeln.
Außerdem kann es sich bei dem Sensor 33 auch um einen farbsensitiven CCD-Chip handeln, der den Farbton des Filaments 19 mit einem Soll-Farbton vergleicht. Entspricht der ermittelte Farbton nicht dem Soll-Farbton, so wird ggf. über die Einspritzung 26 die Zudosierung der Farbpigmente korrigiert.
Neben der Beimischung von Farbpigmenten, kann es außerdem vorgesehen sein, dass andere Zuschlagstoffe, wie beispielsweise Metallpulver, Glitzerpulver oder Gase, durch die Einspritzungen 26 der Mischstrecke 22 zugeführt werden. Dadurch sind beispielsweise wenigstens abschnittsweise die Eigenschaften des Filaments 19 derart veränderbar, dass entsprechende Bereiche des zu druckenden Objektes ebenfalls in ihren Eigenschaften entsprechend angepasst werden. So kann durch Einbringen von Metallpulver in das Filament 19 beispielsweise erreicht werden, dass bestimmte Bereiche des zu druckenden Objektes elektrisch und/oder thermisch leitfähig sind. Es ist denkbar, dass der metallisierte Bereich des Filaments 19 durch eine punktuelle oder bereichsweise Einfärbung markiert wird, die auch später von dem Drucker 10 als solche erkannt wird.
Durch das hier beschriebene Verfahren ist es nicht nur möglich, ein Filament 19 herzustellen, dass einen einzigen Farbton oder eine einzige sonstige Eigenschaft aufweist, sondern vielmehr ist es denkbar, dass sich ein Filament 19 erzeugen lässt, das viele Übergänge der Eigenschaften bzw. Farbeigenschaften aufweist. Dadurch ist erreichbar, dass zum Druck eines farbigen Gegenstandes lediglich eine Spule mit einem Filament notwendig ist. Das Wechseln von Filamentspulen während des Druckvorgangs wird somit überflüssig.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es vor, dass ein Anwender über einen Computer 34 bestimmt, welche Eigenschaften bzw. Farbeigenschaften das herzustellende Filament 19 aufweisen soll (4). Dazu greift eine Verarbeitungssoftware 35 auf eine Materialbibliothek 36 und eine Farbbibliothek 37 zu. In diesen Bibliotheken 36, 37 ist hinterlegt, mit welchen Parametern bzw. Mischverhältnissen etc. sich verschiedene Materialien bzw. verschiedene Farben miteinander verbinden lassen bzw. mit welchen Parametern das gewünschte Filament herzustellen ist. Sobald die Verarbeitungssoftware 35 alle notwendigen Informationen zusammengetragen hat, werden im Weiteren mehrere Arbeitsaufträge für die Erstellung eingefärbter Filamente 19 derart organisiert, dass sie unter einem möglichst geringen Zeitaufwand realisierbar sind 38. Dabei bietet es sich an, bestimmte Farbmischungen hintereinander zu erstellen bzw. die Reihenfolge der herzustellenden Filamente derart zu organisieren, dass der Verbrauch an Farbpigmenten oder sonstigen Zuschlagstoffen besonders effizient ist, sodass beispielsweise nur einmal am Tag alle Depots aufzufüllen sind und nicht ständig ein Depot leer ist.
Nach Abschluss dieser vorbereitenden Maßnahmen werden die Daten für die Herstellung des Filaments an die Vorrichtung 17 übertragen. In einer Maschinensteuerung 40 der Vorrichtung 17 werden sodann diese Daten 39 erfasst und in entsprechende Steuersignale für die einzelnen Komponenten der Vorrichtung 17 übertragen.
Auf diese Weise lassen sich eine Vielzahl von Aufträgen für die Einfärbung von Filamenten nahezu vollautomatisiert organisieren. Ein derartiges Verfahren ermöglicht es somit auf eine besonders schnelle und günstige Art und Weise Filamente jeglicher Eigenschaften bzw. Farbgebungen für einen 3D-Druck zur Verfügung zu stellen. Gleichermaßen wird es durch dieses Verfahren überflüssig, eine Vielzahl verschiedenfarbiger Filamente auf Vorrat zu halten, um lange Wartezeiten zu vermeiden.
Bezugszeichenliste

10: 3D-Drucker
11: Filament
12: Druckkopf
13: X-Achse
14: Y-Achse
15: Platte
16: Z-Achse
17: Vorrichtung
18: Basisfilament
19: eingefärbtes Filament
20: Spule
21: Basisfilamentspule
22: Mischstrecke
23: Filamentantrieb
24: Kühlung
25: Filamentfördersystem
26: Einspritzung
27: Kanal
28: oberer Bereich
29: Dosiermittel
30: Farbpigmentdepot
31: Mischelement
32: Ende
33: Sensor
34: Computer
35: Verarbeitungssoftware
36: Materialbibliothek
37: Farbbibliothek
38: Organisation Arbeitsaufträge
39: Daten zur Herstellung
40: Maschinensteuerung

Claims

Verfahren zur Herstellung eines farbigen, insbesondere eines monochromatischen oder multichromatischen, Filaments (19) aus einem farbneutralen Basisfilament (18) für die Verwendung in einem 3D-Drucker (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Basisfilament (18) aufgeschmolzen, komplett mit Farbpigmenten mindestens einer Farbe durchmischt und nach dem Wiedererstarren des durchgängig chromatisierten Filaments (19) selbiges für den 3D-Drucker (10) bereitgestellt wird.
Verfahren zur Herstellung eines farbigen Filaments (19) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verschieden farbigen Farbpigmente individuell dosiert in einer flüssigen oder festen Verbindung oder in Form von aufgeschmolzenen monochromatischen Filamenten einer Mischstrecke (22) zugeführt werden, wobei die Farbpigmente mit dem aufgeschmolzenen Material des Basisfilaments (18) in der Mischstrecke (22) durchmischt werden.
Verfahren zur Herstellung eines farbigen Filaments (19) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Farbpigmente einer Farbe durchmischt durch eine Einspritzung (26) der Mischstrecke (22) zugeführt werden oder dass der Mischstrecke (22) mehrere Einspritzungen (26), vorzugsweise drei, fünf oder sechs Einspritzungen (26), zugeordnet sind, wobei durch jede Einspritzung (26) Farbpigmente einer Farbe, insbesondere Weiß, Schwarz, Blau, Rot, Cyan, Gelb oder Magenta oder eine andere Farbe, der Mischstrecke (22) dosiert zugeführt werden, um eine beliebige Einfärbung des Basisfilaments (18) zu erzielen.
Verfahren zur Herstellung eines farbigen Filaments (19) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgeschmolzene Material und die Farbpigmente in der Mischstrecke (22) durch Mischelemente (31), vorzugsweise Zahnräder oder dergleichen, homogenisiert werden.
Verfahren zur Herstellung eines farbigen Filaments (19) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filament (18) bzw. das aufgeschmolzene Filament durch die Mischstrecke (12) gezogen wird und eine Stärke des Filaments (19) durch Variation der Zugkraft verändert wird, wobei die Stärke des chromatisierten Filaments (19) nach der Austritt aus der Mischstrecke (22) ermittelt wird.
Verfahren zur Herstellung eines farbigen Filaments (19) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mischverhältnis der zugeführten Farbpigmente variiert wird, so dass das chromatisierte Filament (19) eine Vielzahl von Farbübergängen aufweist zum Drucken eines mehrfarbigen Gegenstandes mit einem einzigen Filament.
Verfahren zur Herstellung eines farbigen Filaments (19) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischstrecke (22) über die mindestens eine Einspritzung (26) neben Farbpigmenten weitere Zuschlagstoffe, wie beispielsweise Metallpulver, Glitzerpulver, spezielle Kunststoffe oder dergleichen oder Gase, wie zum Beispiel Luft, zugeführt werden.
Verfahren zur Herstellung eines farbigen Filaments (19) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Daten aus einer Materialbibliothek (36) und/oder einer Farbbibliothek (37) verwendet werden, um Herstellungsparameter wie Vorschub, Temperatur, Druck und Farbmischverhältnis computerisiert zu bestimmen und um entsprechende Steuerbefehle an eine Vorrichtung (17) zur Herstellung des farbigen Filaments (19) zu übertragen.
Vorrichtung (17) zur Herstellung eines farbigen, insbesondere eines monochromatischen oder multichromatischen, Filaments (19) aus einem farbneutralen Basisfilament (18) für die Verwendung in einem 3D-Drucker (10), dadurch gekennzeichnet, dass einer Mischstrecke (22), durch die das Basisfilament (18) aufgeschmolzen hindurchtransportierbar ist, mindestens ein Kanal (27) zugeordnet ist, über den Farbpigmente der Mischkammer (22) dosiert zuführbar sind.
Vorrichtung (17) zur Herstellung eines farbigen Filaments (19) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischstrecke (22) mindestens ein Mischelement (31), insbesondere Zahnräder, aufweist zur kompletten Durchmischung des aufgeschmolzenen Basisfilaments (18) und der Farbpigmente.
Vorrichtung (17) zur Herstellung eines farbigen Filaments (19) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbpigmente in einer flüssigen oder festen Verbindung oder in Form von aufgeschmolzenen monochromatischen Filamenten der Mischstrecke (22) zuführbar sind, wobei für die Dosierung der Pigmente die Vorrichtung (17) Ventile, Pumpen oder gesteuerte Vortriebe für die monochromatischen Filamente aufweist.
Vorrichtung (17) zur Herstellung eines farbigen Filaments (19) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischstrecke (22) folgend eine Kühlung (24) für das aufgeschmolzene Material vorgesehen ist und ein Sensor (33) zur Bestimmung einer Stärke des farbigen Filaments (19), wobei insbesondere eine Förderung und/oder die Kühlung des Filaments (19) in Abhängigkeit von der ermittelten Stärke des Filaments (19) steuerbar veränderbar ist.
Vorrichtung (17) zur Herstellung eines farbigen Filaments (19) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (17) einem 3D-Drucker (10) direkt vorschaltbar ist bzw. dass die Vorrichtung direkt an einen 3D-Drucker (10) koppelbar ist oder eine Spule (20) mit dem hergestellten farbigen Filament (19) dem 3D-Drucker (10) direkt, vorzugsweise automatisiert, zuführbar ist.