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
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
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.
Schwierigkeiten
Im Verlauf der Versuchsreihe traten verschiedene technische Herausforderungen auf. Trotz direkter Düsenkonfiguration in Cura erwiesen sich die Voreinstellungen für größere Düsendurchmesser in einigen Fällen als ungeeignet.
Vor allem die Flusseinstellungen mussten manuell angepasst werden. Für die erste Schicht war es beispielsweise notwendig, den Filamentfluss auf 120 % zu erhöhen. Ohne diese Anpassung kam es bei großen Düsen zu unzureichender Materialförderung, was dazu führte, dass die erste Schicht nicht haftete und das Filament unvollständig extrudiert wurde.
Ein weiteres Problem stellte die Heizleistung des Druckkopfs dar. Die Kombination aus großem Düsendurchmesser, hohem Vorschub und den vergleichsweise hohen Verarbeitungstemperaturen von PETG führte dazu, dass die 0,8 mm-Düse stellenweise nicht mehr zuverlässig aufgeheizt werden konnte. Dies hatte zur Folge, dass der Druckprozess bei längerer Belastung teilweise automatisch abgebrochen wurde.
Untersuchung der Fehlerursachen
Ein zentrales Problem zu Beginn der Untersuchung war die mangelnde Haftung der ersten Schicht. Anfangs wurde dies als klassisches Haftungsproblem interpretiert. Spätere Analysen zeigten jedoch, dass ein zu geringer Filamentfluss die Hauptursache war, insbesondere bei der ersten Lage. Dies konnte auf unpassende Slicer-Voreinstellungen zurückgeführt und durch manuelles Nachjustieren behoben werden.
Darüber hinaus wurde ein mechanischer Fehler vermutet: Ein zu großer Abstand zwischen Düse und Druckbett. Da der verwendete Drucker über kein automatisches Bed-Leveling verfügt, hängt die erste Schicht stark von der exakten Düsenz-Höhe ab. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass Fertigungstoleranzen bei der Länge der Düsen zu diesem Problem beitragen könnten.
Zur Überprüfung wurden mehrere Düsen desselben Typs vermessen. Innerhalb der drei getesteten Exemplare pro Durchmesser zeigten sich nur geringe Abweichungen, jedoch ergaben sich signifikante Unterschiede zwischen den Düsengrößen. Während die 0,2 mm-Düse das Sollmaß von 12,50 mm exakt einhielt, wichen andere, z. B. die 0,6 mm-Düse, um bis zu ±0,060 mm ab. Bei einer eingestellten Schichthöhe von 0,16 mm entspricht dies einer Abweichung von über 37 %. Diese Differenz konnte vom Drucker nicht automatisch kompensiert werden, sodass eine manuelle Kalibrierung der Z-Achse nach jedem Düsenwechsel notwendig war.