3D-Druck – Druckdüsendurchmesser im Vergleich

Eine der meist unterschätzten Komponenten im 3D-Druck ist die Druckdüse. Es gibt sie in diversen Materialausführungen und mit unterschiedlichen Durchmessern. Als gutes Mittelmaß hat sich jedoch die Nozzle aus Messing mit einem Düsendurchmesser von 0.4 Millimetern durchgesetzt. In diesem Artikel möchten wir anhand der qualitativ hochwertigen Druckdüsen von Slice Engineering auf die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Druckdüsendurchmesser eingehen. 

Im 3D-Druck bieten sich immer mehr Einsatzmöglichkeiten, vor allem dank der wachsender Anzahl an Filamentsorten. Neben Standard-Filamenten wie PLA, PETG und ABS gibt es auch Materialien für industrielle Anwendungen wie TPE, Polycarbonat, PEEK und Ultem PEI. Einige Filamente beinhalten außerdem Metallpartikel oder Kohlefasern, die die Standard-Druckdüsen aus Messing stark beanspruchen. Das spiegelt sich auch im Druckbild wieder. Zwar gibt es für jeden Einsatzbereich unterschiedliche Druckdüsenmaterialien, aber das erfordert einen Mehraufwand, da die Druckdüse für die entsprechenden Materialien getauscht werden muss. Das ist aber nur ein Teil der Wahrheit, denn auch der Druckdüsendurchmesser spielt bei der Verarbeitung bestimmter Materialien eine wesentliche Rolle. Kunststoffe wie z.B. Carbon-basiertes Polycarbonat sollten deshalb nur mit einer Druckdüse verarbeitet werden, die größer als 0.4mm ist. Zudem sollte eine Schichthöhe von 60% des Düsendurchmessers nicht über- oder unterschritten werden. Bei einer 0.4mm Druckdüse entspricht das einer Schichthöhe von 0.25mm. Wer Kohlefaserbasierte Materialien mit einer Schichthöhe unter 0.25mm verarbeitet, der muss mit einem deutlichen Gegendruck am Hotend rechnen. Das führt zu einer unzureichenden Zufuhr des Materials. Die Folge kann eine eingefressene Kerbe im Filament durch das Antriebsrad sein.

Slice Engineering Vanadium Nozzle

Slice Engineering hat neben dem qualitativ hochwertigen Mosquito Hotend, den wir bereits ausführlich getestet haben, eine Vanadium Druckdüse im Programm, die für jeden nur erdenklichen Einsatz im 3D-Druck entwickelt worden ist. Mit einer Mindesthärte von 64 Rockwell C (Vickers HV 910) ist die Druckdüse praktisch unzerstörbar. Zusätzlich wirkt eine spezielle Beschichtung der Ansammlung von Filament auf der Düse entgegen. Die Druckdüse gibt es mit den Druckdüsendurchmessern 0.2, 0.4, 0.6 und 0.8mm.

Im 3D-Druckbereich wird üblicherweise die 0.4mm Druckdüse verwendet. Das Wechseln der Druckdüse ist je nach Hotend-Ausführung schnell erledigt und wirkt sich je nach Druckdüsendurchmesser sowohl auf die Qualität des Druckbilds als auch auf die Druckgeschwindigkeit aus. Ein kleiner Druckdüsendurchmesser eignet sich hervorragend für detaillierte 3D-Objekte, nimmt gleichzeitig aber auch mehr Druckzeit in Anspruch. Mit einem größeren Düsendurchmesser lässt sich wesentlich schneller drucken, auch wenn sich das auf die Qualität des 3D-Objekts auswirken kann.

Schichthöhe und Wandstärke

Beim FDM/FFF 3D-Druckverfahren werden die Objekte Schicht für Schicht aufgebaut. Die Auflösung ist dabei unter anderem von der Dicke jeder Schicht abhängig. Mit einer geringeren Schichthöhe können glattere Oberflächen und detailliertere Modell erzielt werden. Die steigende Anzahl an Schichten wirkt sich aber nicht nur auf die Druckzeit aus, sondern auch auf die Stabilität des Modells. Denn je geringer die Schichthöhe, desto mehr Schichten müssen gedruckt werden. Dadurch steigt aber die Fehlerquote.

Die eingestellte Schichthöhe sollte unabhängig von der verwendeten Drückdüse 80% des Düsendurchmesser nicht überschreiten. Bei einer Druckdüse mit 0.4mm im Durchmesser beträgt die maximale Schichthöhe 0.32mm. Üblicherweise wird hier eine Schichthöhe von 0.25mm gewählt. Bei einer Druckdüse mit 0.6mm verkürzt sich die Druckzeit bereits um 1/3 bei einer Schichthöhe von 0.4mm.

Ein Druckdüsenwechsel ist mit einem Mosquito-Hotend in wenigen Sekunden erledigt. Dennoch sollte sich jeder Anwender darüber im Klaren sein, dass sich der Druckdüsendurchmesser auf viele Parameter auswirkt und der 3D-Druck unter Umständen nicht gelingt. Nehmen wir an, dass für weniger stark beanspruchte Objekte eine 0.4mm Druckdüse mit einer Schichthöhe von 0.25mm verwendet wird. Die Wandstärke beträgt bei 2 Perimetern 0.8mm. Mit einer 0.8mm Druckdüse kann ebenfalls eine Schichthöhe von 0.25mm gewählt werden. Aufgrund des Durchmessers ergibt sich jedoch für 2 Perimeter eine Wandstärke von 1,6mm. Demnach würde für eine 0.8mm Düse auch 1 Perimeter völlig ausreichen, um eine Wandstärke von 0.8mm zu erhalten. 

Mit einer 0.8mm Druckdüse kann die Druckgeschwindigkeit im Vergleich zu einer 0.4mm Düse verdoppelt werden. Für Anwendungen, bei denen Toleranzabweichungen ein Problem darstellen, eignet sich eine größere Düse aber nur bedingt. Viele 3D-Modelle besitzen Durchgangsbohrungen. Nehmen wir an, dass die Wandstärke zwischen Außenkante und Durchgangsbohrung exakt 0,4mm beträgt. Dann kann die Zwischenwand mit einer 0.6mm Düse zwar immer noch gedruckt werden, die Durchgangsbohrung würde sich jedoch hinsichtlich des Durchmessers verkleinern, da die Konturen aufgrund des Druckdüsendurchmessers breiter sind als die Wand selbst. Zwar haben viele Hersteller dafür einen Slicer-Parameter für dünne Wände vorgesehen, dieser funktioniert jedoch nicht immer. In den meisten Fällen werden die Wände dann lückenhaft gedruckt. Für große 3D-Objekte, bei denen es nicht auf Toleranzabweichungen ankommt, ist der Einsatz von größeren Druckdüsen unproblematisch.

Untenstehendes Bild zeigt eine Aufbewahrungsbox, die mit eine Profil für 0.8-mm-Druckdüsen gesliced wurde. Die Wandstärke beträgt weniger als 0.6mm. Obwohl die Funktion “Dünne Wände erkennen” aktiviert ist, kommt es bei den Schubladenhaltern zu Unterbrechungen, da die Wand hier einfach zu dünn ist, um mit 0.8mm gedruckt werden zu können.