Düsendurchmesser

Einfluss unterschiedlicher Düsendurchmesser auf die Druckqualität

Die Auswahl des geeigneten Düsendurchmessers ist ein zentraler Faktor im FDM-3D-Druck, da er direkt Einfluss auf Druckzeit, Maßhaltigkeit, Detailgenauigkeit und Oberflächenqualität nimmt. Während kleinere Düsen eine hohe Präzision bei feinen Geometrien ermöglichen, lassen sich mit größeren Düsen deutlich kürzere Druckzeiten erzielen – ein Aspekt, der insbesondere bei funktionalen Bauteilen oder der Kleinserienfertigung an Bedeutung gewinnt.

Ziel dieser Untersuchung war es daher, den Einfluss verschiedener Düsendurchmesser auf die resultierende Druckqualität systematisch zu analysieren. Im Mittelpunkt standen dabei Maßhaltigkeit, Oberflächenbeschaffenheit und Detailabbildung sowie das Verhalten bei Überhängen. Besonderes Interesse galt der Frage, ob sich mit größeren Düsen unter bestimmten Bedingungen sogar qualitative Vorteile erzielen lassen – beispielsweise durch bessere Schichtanbindung oder stabilere Druckverhältnisse bei komplexeren Strukturen.

Die Untersuchung wurde unter reproduzierbaren Bedingungen durchgeführt und durch eine technische sowie subjektive Bewertung der Druckergebnisse ergänzt, um praxisrelevante Empfehlungen zur Wahl des Düsendurchmessers ableiten zu können.

Testaufbau

Drucker für Düsenvergleich: Anycubic i3 Mega S

Die Versuche wurden auf einem Anycubic i3 Mega S durchgeführt. Der Drucker zählt zu den gängigen Einsteigermodellen im Bereich des FDM-Drucks und verfügt über ein offenes System, das manuelle Eingriffe wie den Austausch von Düsen unkompliziert ermöglicht. Eine automatische Nivellierfunktion ist nicht vorhanden, weshalb der Abstand zwischen Düse und Druckbett manuell eingestellt werden muss.

Als Slicer-Software wurde Cura (Version 5.10) verwendet. Cura ist die vom Hersteller empfohlene Software für diesen Drucker und bietet eine benutzerfreundliche Oberfläche sowie direkte Einstellmöglichkeiten für den Düsendurchmesser. Das verwendete Filament war GreenTEC Pro der Firma Extrudr, ein biobasierter Werkstoff, der sich durch zuverlässige Druckeigenschaften und hohe Maßhaltigkeit auszeichnet. Es wurde bereits in vorherigen Arbeitspaketen erfolgreich eingesetzt.

Untersucht wurden vier verschiedene Düsendurchmesser: 0,2 mm, 0,4 mm, 0,6 mm und 0,8 mm. Zum Einsatz kamen dabei handelsübliche V6-Düsen, die mit dem Hotend des Druckers kompatibel sind. Eine 1,0 mm-Düse wurde nicht berücksichtigt, da sie in ersten Tests keine ausreichende Detailtreue erzielte und für die vorgesehenen Geometrien als ungeeignet eingeschätzt wurde.

Die Schichthöhe wurde einheitlich auf 0,16 mm festgelegt. Dieser Wert stellt die größtmögliche empfohlene Schichtdicke für eine 0,2 mm-Düse dar und sorgt gleichzeitig dafür, dass auch mit der 0,8 mm-Düse noch ein stabiler Materialauftrag möglich ist. Auf diese Weise konnte ein einheitlicher Vergleich der verschiedenen Düsendurchmesser gewährleistet werden, ohne die jeweilige Düse über ihre praxisgerechten Grenzen hinaus zu belasten. Weitere relevante Druckparameter wie Düsentemperatur, Druckbett-Temperatur, Kühlverhalten und Bewegungsgeschwindigkeit wurden über alle Versuche hinweg konstant gehalten. Die konkreten Einstellungen orientierten sich an den auf der Projekt-Wikiseite Optimierung Druckparameter dokumentierten Werten, die im Rahmen einer separaten Untersuchung als besonders druckstabil identifiziert wurden.

Beschreibung des Testobjekts

Testmodell für Düsenvergleich

Zur Bewertung der Auswirkungen unterschiedlicher Düsendurchmesser wurde ein eigenes Testobjekt konstruiert. Ziel war es, möglichst viele drucktechnisch relevante Merkmale in kompakter Form zu vereinen, um Unterschiede hinsichtlich Maßhaltigkeit, Detailtreue, Überhangverhalten und Oberflächenqualität erfassen zu können.

Das Testmodell besteht aus mehreren Bereichen mit gezielten Herausforderungen für den 3D-Druck. Dazu zählen freistehende Überhänge mit unterschiedlichen Neigungswinkeln, feine Schriftzüge, definierte Wandstärken sowie rechteckige Geometrien mit bekannten Sollmaßen zur späteren Vermessung. Darüber hinaus wurden glatte sowie geneigte Oberflächen eingebaut, um mögliche Unterschiede in der Sichtbarkeit der Schichtlinien zu dokumentieren. Auch schmale Finnen und freitragende Brücken wurden integriert, um die Detailwiedergabe und das Verhalten bei ungestütztem Materialauftrag zu bewerten.

Das Objekt wurde so dimensioniert, dass es mit allen gewählten Düsendurchmessern innerhalb sinnvoller Druckzeiten und ohne Skalierung gefertigt werden konnte. Es wurde mit identischen Slicereinstellungen verarbeitet, wobei jeweils nur der Düsendurchmesser angepasst wurde.

Einstellungen im Slicer

Die Einstellung des Düsendurchmessers im Slicer ist entscheidend, da sie zahlreiche druckrelevante Parameter wie Linienbreite, Flussrate und Extrusionsmenge beeinflusst. Je nach verwendeter Slicer-Software unterscheidet sich die Vorgehensweise deutlich.

In Cura lässt sich der Düsendurchmesser direkt über die Druckerkonfiguration festlegen: Drucker verwalten → Geräteeinstellungen → Extruder 1. Dieser direkte Zugriff erleichtert den Vergleich und reduziert das Risiko unbeabsichtigter Abweichungen bei zusammenhängenden Parametern.

In OrcaSlicer und PrusaSlicer gibt es hingegen keine separate Einstellung für den Düsendurchmesser. Stattdessen muss die Linienbreite manuell angepasst werden. Im OrcaSlicer befinden sich die relevanten Optionen im Reiter Qualität → Breite der Linie, im PrusaSlicer unter Druckereinstellungen → Erweitert.

Für die vorliegende Untersuchung wurde Cura verwendet, da die Umstellung dort besonders benutzerfreundlich und eindeutig erfolgt. So konnte die Vergleichbarkeit der Drucke sichergestellt werden.

Cura: Fenster zur Düsendurchmessereinstellung	OrcaSlicer: Reiter zur Linienbreiteneinstellung	PrusaSlicer: Fenster zur Linienbreiteneinstellungen

Schwierigkeiten

Haftungsprobleme der ersten Schicht

Im Verlauf der Untersuchung zeigten sich einige technische Herausforderungen bei der Umstellung auf größere Düsendurchmesser, selbst bei Verwendung eines Slicers mit direkter Düsenkonfiguration wie Cura. Zwar lassen sich die grundlegenden Parameter in der Software problemlos anpassen, jedoch erwiesen sich die automatisch generierten Voreinstellungen nicht in allen Fällen als praxistauglich.

Insbesondere die Flusseinstellungen mussten für bestimmte Düsengrößen manuell nachjustiert werden. So war es beispielsweise erforderlich, den Filamentfluss für die erste Schicht auf 120 % zu erhöhen. Andernfalls kam es bei großen Düsen zu unzureichender Materialförderung in der Anfangsphase, wodurch das Filament nicht ausreichend auf der Druckplatte haftete und stattdessen unkontrolliert über die Oberfläche gezogen wurde.

Darüber hinaus stellte sich die Kombination aus großem Düsendurchmesser, hohem Materialvorschub und den vergleichsweise hohen Verarbeitungstemperaturen von PETG als problematisch für das Heizsystem des Druckkopfs heraus. Bei der 0,8 mm-Düse war die Heizleistung in einigen Fällen nicht mehr ausreichend, um den Sollwert des Drucks aufrechtzuerhalten, sodass der Druckvorgang mit einer Sensorfehlermeldung abgebrochen wurde.

Untersuchung der Fehlerursachen

Leichtes Herabdrücken des Druckkopfs sorgte für Verbesserung (linke Bildhälfte)

Ein zentrales Problem, das zu Beginn der Versuchsreihe auftrat, war eine unzureichende Haftung der ersten Schicht auf dem Druckbett. Ursprünglich wurde dies als typisches Haftungsproblem interpretiert. Im weiteren Verlauf zeigte sich jedoch, dass die Ursache vielmehr in einem zu geringen Materialfluss lag – insbesondere bei der ersten Lage. Dieser unzureichende Fluss ließ sich auf suboptimale Slicer-Voreinstellungen zurückführen, die bei größeren Düsendurchmessern nicht automatisch angepasst wurden. Durch manuelle Erhöhung des Flusses für die erste Schicht konnte das Problem weitgehend behoben werden.

Das Problem wurde unter anderem durch eine einfache Beobachtung entdeckt: Ein leichtes manuelles Herunterdrücken des Druckkopfs während der ersten Druckbahn führte unmittelbar zu einer Verbesserung des Druckergebnisses. Die verringerte Schichtdicke erhöhte den Auflagedruck, ohne den Filamentfluss zu verändern – ein Hinweis auf einen zu großen Abstand zwischen Düse und Druckbett.

Im Zuge der Fehlersuche wurde eine weitere mögliche Ursache untersucht: ein zu großer Abstand zwischen Düse und Druckbett. Da der verwendete Drucker über keine automatische Nivellierung verfügt, kommt der mechanischen Justierung eine entscheidende Bedeutung zu. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass Fertigungstoleranzen bei der Länge der eingesetzten Düsen zu inkonsistenten Abständen führen könnten – insbesondere bei einem Düsenwechsel.

Zur Verifikation wurden mehrere Düsen desselben Typs vermessen. Innerhalb der jeweils drei getesteten Exemplare pro Düsendurchmesser traten zwar nur geringe Unterschiede auf, jedoch unterschieden sich die Nennlängen der verschiedenen Düsengrößen teils deutlich. Während die 0,2 mm-Düse das Sollmaß von 12,50 mm nahezu exakt einhielt, wichen andere um bis zu ±0,060 mm ab. Bei einer eingestellten Schichtdicke von 0,16 mm entspricht dies bereits einer Abweichung von rund 37,5 %, was sich unmittelbar auf die Haftung und das Druckbild der ersten Schicht auswirkte.

Da diese Abweichung vom Drucker nicht automatisch kompensiert werden konnte, musste nach jedem Düsenwechsel eine manuelle Kalibrierung der Z-Achse vorgenommen werden, um reproduzierbare Ergebnisse zu gewährleisten.