Z-Offset im 3D-Druck: Düsenabstand, erste Schicht und Feinkorrektur

Thema: 3D-Druck: Einstellungen, Material & Fehler

Eine schlecht haftende erste Schicht wird oft mit neuem Leveling oder mehr Haftmittel behandelt. Ist die Bauplatte sauber und richtig ausgerichtet, bleibt der Abstand der Düse als naheliegende Ursache: Wenige hundertstel Millimeter entscheiden, ob der Strang rund liegen bleibt, flach anliegt oder gequetscht wird. Dieser Abstand steckt im Z-Offset, dessen Vorzeichen je nach Firmware verschieden ist.

Was der Z-Offset in der Firmware bedeutet

Ein 3D-Drucker misst die Höhe der Düse nicht direkt. Er findet bei der Referenzfahrt einen Höhenbezug, etwa den Schaltpunkt eines Endschalters oder einer Sonde, und rechnet von dort auf die Düsenspitze um. Der Z-Offset ist der Betrag dieser Umrechnung. Das Prinzip entspricht dem Bezug zwischen Maschinen- und Werkstücknullpunkt an einer Fräse, den der Beitrag zu Referenzpunkt und Referenzfahrt erklärt.

Die Firmwares beschreiben denselben Abstand unterschiedlich. Für Marlin nennt die Dokumentation als Beispiel einer induktiven Sonde „M851 Z-2.0“, weil übliche Sonden unterhalb der Düse schalten.

Leveling, Mesh und Z-Offset getrennt betrachten

Leveling und Bettnetz (Mesh) beschreiben Lage und Form der Platte, der Z-Offset die Höhe der Düse über dem Bezug. Klipper beschreibt das Mesh als Höhenkarte, mit der die Firmware die Z-Koordinate jeder Bewegung umrechnet; vorher muss der Z-Offset der Sonde kalibriert sein. Mechanische Fehler kann diese Korrektur nicht beheben.

Daraus folgt die Reihenfolge Mechanik, Z-Offset, Mesh. Ungleich laufende Gewindespindeln gehören zur Ausrichtung, siehe Dual-Z-Achse und Bettkompensation. Ändern sich Bewegungssystem, Hotend-Position oder Sondenlage, sind laut Klipper Offset und Mesh neu zu kalibrieren.

Was die erste Schicht über den Abstand verrät

Die erste Schicht ist das eigentliche Messergebnis. Prusa beschreibt eine passende Linie als flach angedrückt, aber nicht gequetscht, die Testfläche als eben, ohne Lücken und Wülste. Steht die Düse zu hoch, bleibt die Linie rund, und es entstehen Lücken. Steht sie zu tief, wird die Linie gequetscht, es bilden sich Wülste, Ränder können sich aufbiegen, und im Extremfall scheint das Material durch.

Klipper ergänzt zwei feinere Merkmale: Quillt die unterste Schicht ringsum leicht aus, steht die Düse etwas zu tief. Ist sie schmaler als die folgenden Schichten, steht die Düse etwas zu hoch. Das Ausquellen ähnelt einem Elefantenfuß, der aber auch andere Ursachen haben kann.

Eigenes Rechenbeispiel: 0,06 mm Abstandsfehler

Wir nehmen eine erste Schicht mit 0,20 mm Höhe und 0,45 mm Linienbreite bei 0,45 mm Bahnabstand an. Als Rechteck vereinfacht, hat die Bahn 0,20 mm × 0,45 mm = 0,09 mm² Querschnitt. Steht die Düse 0,06 mm zu tief, muss dieses Volumen in einen Spalt von 0,14 mm: Die Bahn wird rechnerisch 0,09 mm² / 0,14 mm ≈ 0,64 mm breit und überlappt die Nachbarbahn um rund 0,19 mm.

Die Abweichung entspricht 30 % der Schichthöhe. Ergibt eine Messung an einer einlagigen Testfläche im Mittel 0,14 mm statt 0,20 mm, wird die Düse um 0,06 mm angehoben: Ein angenommener Prusa-Wert von −0,850 mm wird zu −0,790 mm, bei Klipper entspräche das „SET_GCODE_OFFSET Z_ADJUST=0.06“. Gerundete Strangform, nachgiebige Platte und die Messabweichung des Messschiebers bleiben unberücksichtigt; das Beispiel zeigt Richtung und Größenordnung, keinen Sollwert.

Z-Offset einstellen: Vorgehen und Prüfliste

Den Grobwert liefert der Papiertest, den Klipper bei Raumtemperatur von Düse und Bett vorsieht: Die Düse wird schrittweise abgesenkt, bis sich ein Blatt Papier mit leichter Reibung verschieben lässt. Das Papier ist etwa 0,1 mm dick, die Wärmeausdehnung beim Aufheizen laut Klipper typischerweise ähnlich groß; als Ausgangsannahme heben sich beide auf. Den Feinwert liefert der Probedruck.

• Düse und Platte von Kunststoffresten befreien.
• Mechanik und Ausrichtung vor Offset und Mesh prüfen.
• Grobwert mit dem Papiertest bei Raumtemperatur ermitteln.
• Testobjekt nach Firmware-Anleitung drucken, bei Klipper ein Quadrat ohne Brim mit rund 75 % des Düsendurchmessers als Schichthöhe.
• Je Durchgang nur den Offset ändern, in kleinen Schritten (Klipper-Beispiel: +0,010 mm).
• Wert speichern (Marlin M500, Klipper SAVE_CONFIG) und mit Datum, Düse und Druckplatte notieren.
• Nach Wechsel der 3D-Druckdüse, Umbau oder Transport neu prüfen, wie Prusa es empfiehlt.

Typische Fehler und Grenzen

Häufig wird ein falscher Materialfluss für ein Abstandsproblem gehalten, denn zu viel Material erzeugt ebenfalls Wülste. Ein Abstandsfehler betrifft aber vor allem die unterste Schicht, deshalb vergleicht Klipper sie mit den folgenden. Bleibt das Fehlerbild weiter oben bestehen, ist der Extrusionsmultiplikator der bessere Ansatzpunkt.

Sonden können temperaturabhängig schalten. Klipper empfiehlt, stets bei derselben Temperatur zu messen und nach dem Aufheizen einige Minuten zu warten. Streuen zehn wiederholte Messungen um mehr als 0,025 mm, gilt die Sonde als zu ungenau für übliches Bettnivellieren; daran ändert auch ein sorgfältig eingestellter Offset nichts.

Ein Offset gilt zudem nur für eine Oberfläche: Texturierte Druckbleche sind laut Prusa dünner als glatte, die Düse muss dort näher heran. Zu tief eingestellt, kann die Düse das Blech beschädigen. Haftmittel für das Druckbett ergänzen eine passende erste Schicht, ersetzen aber keinen richtigen Abstand.