3D Druck Schichthöhe vs. Düsendurchmesser – Tabelle & Guide

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Welchen Einfluss haben die Schichthöhe und der Düsendurchmesser auf das Endergebnis bei einem 3D-Druck? Beim 3D-Drucker werden durch ein Filament einzelne Schichten übereinander aufgetragen. Die Schichthöhe meint dabei die Höhe jeder einzelnen Schicht. 

Bei den meisten Druckern liegt die einstellbare Schichthöhe zwischen 0,1 und 0,4 mm. Gleichzeitig ist die Schichthöhe aber auch vom Düsendurchmesser abhängig. Denn durch den Düsendurchmesser ergibt sich eine maximal und eine minimal erreichbare Schichthöhe.

Wie aber wirken sich die Schichthöhe und der Düsendurchmesser auf die Druckqualität aus? 

Dickere Schichten bieten höhere Druckgeschwindigkeiten bei geringerer Auflösung. Mit dünneren Schichten kann mit einer erhöhten Druckzeit eine höhere Auflösung erzielt werden. Die maximale Schichthöhe beträgt ca. 75% des Durchmessers der Nozzle und die minimale Schichthöhe ca. 25%.

Das war die Kurzfassung. Wie das genau zustande kommt, erfährst du in diesem Artikel.

Schichthöhe

Bei einen 3D-Druck wird das Zielobjekt Schicht für Schicht aufgebaut. Für das Wort Schichthöhe werden auch synonym die Begriffe Layerhöhe und Layergröße benutzt. Damit ist lediglich die Höhe jeder einzelnen Schicht gemeint, mit welcher der 3D-Drucker das Objekt anfertigt. Bei handelsüblichen 3D-Druckern liegt die Schichthöhe ungefähr zwischen 0,1 und 0,4 mm. Natürlich sind auch 3D-Drucker erhältlich, die auch eine Schichthöhe unter 50 μm (= 0,05 mm) schaffen.

Bei einigen Druckverfahren hat die Schichthöhe kaum Auswirkungen auf das Ergebnis. Aber speziell bei den Verfahren SLA und FDM ist die Wahl der Schichtstärke ein sehr wichtiger Faktor.

Die Auswirkung der Schichthöhe auf das Druckverfahren

Die gewählte Schichthöhe hat eine direkte Auswirkung auf das Druckergebnis. Die Wahl der richtigen Schichthöhe ist durchaus mit der Entscheidung für die Auflösung eines Fernsehbildschirms vergleichbar. Eine geringere Schichtdicke führt zu einer höheren Auflösung des Objekts und zu glatteren Oberflächen. Die Schichtstärke (= Z-Auflösung) kann bei jedem 3D-Drucker eingestellt werden und ist mitunter auch vom 3D-Druckverfahren abhängig.

Auf der anderen Seite hat die Schichthöhe signifikante Auswirkungen auf den Druckprozess. Wenn zum Beispiel die Schichthöhe von 300 μm auf 150 μm halbiert wird, dann nimmt das Drucken doppelt so viel Zeit in Anspruch und auch die Kosten steigern sich enorm. Bei einer geringeren Schichtstärke werden mehr Schichten übereinander aufgetragen, dieser Umstand führt zu einer höheren Fehlerquote.

Wann geringere Schichtstärken wenig Sinn haben

Eine geringere Schichthöhe führt zu einer höheren Z-Auflösung, trotzdem ist sie nicht immer sinnvoll. Die Kernfragen bei der Entscheidung für die Schichthöhe ist – ist das Erscheinungsbild wichtiger oder die Funktionalität? 

Wenn das Objekt nur waagerechte Flächen und keine bzw. kaum Rundungen aufweist, dann sind die Effekte einer geringeren Schichthöhe kaum bemerkbar. Beträgt der Winkel zwischen zwei Schichten 90°, dann hat eine verringerte Schichthöhe keinen Sinn. Wenn es sich bei dem Zielobjekt beispielsweise um einen Würfel mit einer Kantenlänge von 60 mm handelt, dann hat eine Verringerung der Schichthöhe von 150 μm auf 60 μm keinen Effekt.

Mit einer geringeren Schichthöhe erhöhen sich nicht nur die Druckzeit und die Kosten. Eine größere Schichthöhe führt im Endeffekt oftmals zu verbesserten mechanischen Eigenschaften. Wenn das Teil beispielsweise nachbearbeitet (geschliffen oder lackiert) werden soll, dann ist eine verringerte Schichthöhe eher von Nachteil.

Die Vorteile einer geringeren Schichthöhe

Das Ergebnis einer niedrigeren Schichthöhe ist eine höhere Z-Auflösung und damit eine glattere Oberfläche. Wenn es sich um filigrane, detailreiche Objekte handelt, dann solltest du eher zu einer niedrigeren Schichthöhe tendieren. 

Der Effekt kommt vor allem dann zum Tragen, wenn das Objekt Kurven, Winkel oder Löcher aufweist. Stelle dir vor, es gäbe ein Loch, das entlang der horizontalen Achse gedruckt wird. 

Das Loch müsste in mehreren übereinander liegenden Schichten geschnitten werden, dadurch entstehen treppenartige Kanten an der Oberfläche. Bei einen signifikanten Anteil von Rundungen führt die geringere Schichthöhe zu einer höheren Genauigkeit und Detailtreue.

Die Düse

Die Düse (englisch „Nozzle“) zählt mit zu den wichtigsten Bestandteilen eines 3D-Druckers. Die Düsen haben eine konisch zulaufende Form und werden aus verschiedenen Materialien hergestellt. 

Sie haben ein Gewinde am unteren Ende, mit welchem Sie an das Hotend des 3D-Druckers angeschraubt werden können. Die Länge des Gewindes und auch der Durchmesser können sich bei den einzelnen Düsen unterscheiden. Im Vorfeld solltest du also überprüfen, ob die jeweilige Düse kompatibel für deinen 3D-Drucker ist und für welche Filamente sie sich eignet.

Der Düsendurchmesser

Der Bohrlochdurchmesser (Düsendurchmesser) liegt bei den meisten Düsen zwischen 0,1 und 2 mm. Der Standard sind Düsen mit einem Durchmesser von 0,4 mm. Es lohnt sich, einen Satz verschiedener Düsen zu kaufen. Der Düsendurchmesser hat einen maßgeblichen Einfluss auf das Druckergebnis.

Düsen mit einen großen Durchmesser eignen sich für eine erhöhte Schichthöhe, Düsen mit einen kleinen Durchmesser sind ideal für eine niedrige Schichthöhe und damit für eine höhere Auflösung.

Die Materialien für Düsen

Die Düsen für 3D-Drucker bestehen oft aus Messing, Kupfer oder (Edel-)Stahl*. Wahlweise sind sind auch einer Beschichtung erhältlich. Je nach Verwendungszweck und Anforderungen sind auch Düsen aus anderen Werkstoffen oder Legierungen erhältlich. Manche Düsen bestehen zum Beispiel an der Spitze aus Rubin.

Das ideale Material ist vom Filament und den eigenen Ansprüchen abhängig. Zum Beispiel bei einem sehr harten Filament eignen sich Düsen als Edelstahl besser als Messing, auch wenn die Wärmeleitfähigkeit etwas schlechter ist.

Der Zusammenhang zwischen Schichthöhe und Düsendurchmesser

Der Düsendurchmesser beim 3D-Drucker hat einen direkten Einfluss auf die zu empfehlende Schichtdicke und damit auch auf die Druckgeschwindigkeit. Je nach Düsendurchmesser gibt es eine empfohlene maximale und minimale Schichthöhe.

Die maximale Schichthöhe errechnet sich nach der Formel 1, die minimale Schichthöhe nach der Formel 2:

1. Maximale Schichthöhe = 0,75 * Düsendurchmesser
2. Minimale Schichthöhe = 0,25 * Düsendurchmesser

Natürlich handelt es sich um Faustformeln, doch sie sind zur Orientierung hilfreich. Beträgt der Düsendurchmesser 500 μm, dann beträgt die maximale Schichthöhe 375 μm und die minimale Schichthöhe 125 μm. Viele Experten drucken zum Beispiel nur mit der Hälfte des Düsendurchmessers. Bei einem Düsendurchmesser von 0,2 mm (= 200 μm) drucken sie also mit einer gewählten Schichthöhe von 100 μm. Der gegebene Düsendurchmesser begrenzt die maximale Materialmenge, welche extrudiert werden kann.

Ein sehr geringer Düsendurchmesser bedingt aus folgenden Gründen auch einige niedrige Druckgeschwindigkeit:

• der Durchmesser begrenzt die zu extrudierende Materialmenge
• es ist mehr Druck erforderlich, um eine große Menge Filament durch eine kleine Düse zu pressen
• bei einer erhöhten Geschwindigkeit muss mehr Material pro Zeiteinheit befördert werden

Mit einem erhöhten Düsendurchmesser ist es folglich möglich, schneller zu drucken. Bei einer größeren Düse musst du jedoch eine größere Schichthöhe wählen, was zu einer schwächeren Auflösung führt.

Praktischer Test & Vergleich

Ich habe den Zusammenhang zwischen Düsendurchmesser und Layer Höhe praktisch getestet. 

Meinen Anycubic Mega S habe ich mit verschiedenen Düsen ausgestattet. Die Schichthöhe habe ich jeweils auf 25%, 50% und 75% des Düsendurchmessers eingestellt. 

Als Filament habe ich das GEEETECH PLA 1.75 mm* verwendet. Die verschiedenen Düsen habe ich aus einem Set mit verschiedenen Durchmessern*.

Schichthöhe	Düsendurchmesser	Druckzeit
0,7 mm	1,0 mm	0:06
0,5 mm	1,0 mm	0:08
0,25 mm	1,0 mm	0:15
0,6 mm	0,8 mm	0:07
0,4 mm	0,8 mm	0:10
0,2 mm	0,8 mm	0:19
0,45 mm	0,6 mm	0:13
0,3 mm	0,6 mm	0:18
0,15 mm	0,6 mm	0:37
0,3 mm	0,4 mm	0:24
0,2 mm	0,4 mm	0:38
0,1 mm	0,4 mm	1:03
0,225 mm	0,3 mm	0:46
0,15 mm	0,3 mm	1:07
0,075 mm	0,3 mm	2:15
0,15 mm	0,2 mm	1:26
0,1 mm	0,2 mm	2:08
0,05 mm	0,2 mm	4:18

Was in den reinen Daten direkt auffällt ist der große Unterschied zwischen den Druckzeiten. 

Besonders bei den kleineren Durchmessern wird dieser Unterschied immer größer. Bei der 0,2 mm Düse und bei 25%, also 0,05 mm Schichthöhe, sind das für das gewählte Objekt schon über vier Stunden!

Hier kannst du sehen wie sich die Einstellungen und die verschiedenen Düsendurchmesser auf die Oberflächenbeschaffenheit ausgewirkt hat:

Aus den Tests habe ich gelernt, dass es für die meisten Objekte für das Auge keinen Unterschied mehr macht wenn du eine Schichthöhe von 0,1 mm verwendest oder weniger. 

Den Unterschied zwischen 0,1 mm und 0,05 mm sieht man wirklich nur wenn man ganz genau hinschaut. 

Außerdem ist es immer die Frage ob sich der Zeitaufwand lohnt. Die Druckzeit verdoppelt sich sehr schnell. 

Genauso verdoppelt sich die Druckzeit schnell wenn man dieselbe Schichthöhe mit einer kleineren Düse drucken möchte (z.b. 0,15 mm Schichthöhe mit einer 0,6 mm Düse sind 37 Minuten und 0,15 mm bei 0,3 mm Düse dauert 1 Stunde und 7 Minuten!). 

Das liegt natürlich daran, dass man das gleiche Volumen drucken muss. Bei einer kleineren Extrusionsbreite muss der Druckkopf mehr Weg fahren und mehr Infill-Wände drucken, um auf dasselbe gedruckte Volumen zu kommen.

Verwandte Fragen

Welche Schichthöhe sind für die verschiedenen Druckverfahren typisch?

• FDM: 0,05 bis 0,4 mm (Standard 0,1 mm)
• SLA/DLP: 0,025 mm bis 0,1 mm (Standard 0,05 mm)
• SLS: 0,08 mm bis 0,12 mm (Standard 0,1 mm)
• Material Jetting: 0,016 bis 0,03 mm (Standard 0,016)
• Binder Jetting: 0,1 mm
• DMLS: 0,03 mm bis 0,05 mm

Aus welchen Materialien bestehen die meisten Düsen und warum?

Die meisten 3D-Drucker Düsen bestehen aus Messing. Messing hat sich vor allem durch seine gute Wärmeleitfähigkeit bewährt. Diese Düsen lassen sich sehr einfach herstellen und sind preiswert. Messing-Düsen eignen sich nicht für Filamente mit einer stark abrasiven Wirkung.

Womit werden Messing-Düsen beschichtet?

Eine Beschichtung schützt die Messing-Düse vor zu starken Abrieb. Als Beschichtung kommen Chrom oder Nickel in Frage.

Wofür eignen sich Düsen aus Edelstahl?

Düsen aus Edelstahl sind deutlich robuster als jene aus Messing oder Kupfer. Ein Nachteil ist die schlechtere Wärmeleitfähigkeit, deswegen musst du eine höhere Drucktemperatur einstellen.

Wie viel kostet eigentlich eine Düse?

Der Preis ist selbstverständlich vom Material abhängig. Am preiswertesten sind Düsen aus Nickel ohne Beschichtung, diese sind teilweise unter 10 EUR zu haben. Der Preis für Düsen aus Edelstahl bewegt sich um die 15 bis 25 EUR. Merklich teurer sind Düsen mit Rubin, diese können auch 90 EUR oder mehr kosten.

Welcher Düsendurchmesser eignet sich wofür? Was ist der Standard-Durchmesser?

Die meisten 3D-Drucker sind ab Werk mit 0,4 mm Düsen ausgestattet. Düsen mit einem Durchmesser von < 0,4 mm eignen sich für Objekte mit filigranen Details. Düsen mit einem Durchmesser von 0,6 bis 1 mm sind perfekt für weniger genaue und schnelle 3D-Drucke.

Was ist beim Düsendurchmesser noch zu beachten?

Bei einem höheren Düsendurchmesser und einer höheren Druckgeschwindigkeit muss mehr Filament aufgeschmolzen werden. Beachte, dass der Extruder und die Heizpatrone eine Leistungsgrenze haben.

Fazit

Sowohl die Schichthöhe als auch der Düsendurchmesser haben einen entscheidenden Einfluss auf die Druckzeit, die Kosten und das Druckergebnis. Der gegebene Düsendurchmesser ergibt je eine minimale und eine maximale Schichthöhe (siehe die Formeln 1 und 2). 

Grundsätzlich gilt – je höher der Düsendurchmesser ist, umso größer ist die maximal mögliche Schichthöhe. Eine größere Schichthöhe führt häufig auch zu weniger Druckfehlern und zu verbesserten Materialeigenschaften. Wenn das Teil nachbearbeitet werden soll, dann ist eine größere Schichthöhe optimal.

Bei einen 3D-Druck wird das Objekt Schicht um Schicht aufgebaut, die Schichthöhe definiert dabei die Höhe bzw. Dicke jeder einzelnen Schicht. Eine niedrige Schichthöhe führt zu einer höheren Z-Auflösung und zu einer deutlich erhöhten Druckzeit. Die maximale Druckgeschwindigkeit wird zugleich vom Durchmesser der Düse begrenzt. Ein höherer Düsendurchmesser ermöglicht einen schnelleren Druck.

Düsen mit einen geringen Durchmesser von < 0,4 mm eignen sich für den Druck feiner, graziler Objekte mit vielen Details. Das ideale Material für die Düsen ist vom Filament abhängig, doch häufig ist Nickel eine sehr gute Wahl. Bei zahlreichen Rundungen wird auf diese Weise aufgrund der flacheren Oberfläche ein besseres Ergebnis erzielt. Ein Nachteil ist, dass sich dadurch die benötigte Zeit für den Druck erhöht. Wenn du die Schichthöhe halbierst, dann benötigt der 3D-Drucker die doppelte Zeit.

Bei der Wahl von Düsendurchmesser sind also folgende Faktoren entscheidend:

1. Weist das Objekt viele gekrümmte Oberflächen, Löcher oder feine Details auf? Dann sind kleine Düsen und eine geringe Schichthöhe ideal. Bei nicht gekrümmten Objekten mit waagerechten Flächen und 90° Winkeln (Würfel, Quader) solltest du eine hohe Schichthöhe wählen.
2. Geht es um das optische Erscheinungsbild oder um Funktionalität? Wenn das Objekt nachbearbeitet werden muss, dann ist eine größere Schichthöhe deutlich praktischer. Der Druck ist schließlich auch eine Kostenfrage. Wenn es vor allem um die Funktionalität geht, dann solltest du auf eine größere Schichthöhe setzen.

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