Schichthöhe im 3D-Druck: Treppenstufen, Druckzeit und Düsengrenze

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

Eine kleinere Schichthöhe gilt oft pauschal als bessere Qualität. Verändert wird aber nur die Auflösung in Z-Richtung: An senkrechten Wänden entsteht rechnerisch kein Treppenversatz, an flachen Schrägen und Kuppeln dagegen ein deutlicher. Die Druckzeit wächst in jedem Fall mit.

Was die Schichthöhe festlegt und was nicht

Die Schichthöhe ist die Dicke jeder einzelnen Schicht. Prusa Research nennt sie den Hauptfaktor für Druckzeit und vertikale Auflösung; auf Details in X und Y wirkt sie nicht. Diese hängen von Düse und Linienbreite ab, wie der Beitrag zur 3D-Druckdüse zeigt.

Als Obergrenze nennt Prusa weniger als 80 % des Düsendurchmessers, bei einer 0,4-mm-Düse also etwa 0,32 mm. Ist die Schichthöhe größer als die Düse, meldet PrusaSlicer einen Fehler. Von Werten unter 0,10 mm rät Prusa ab, weil 0,07 oder 0,05 mm nur relativ geringe Qualitätsgewinne bei deutlich längerer Druckzeit bringen.

Treppenstufen: warum flache Flächen die Schichten zeigen

Ein Slicer zerlegt das Modell in waagerechte Scheiben mit senkrechten Rändern; an geneigten oder gewölbten Flächen entsteht so eine Treppe. Nach Elayeb und Kollegen nimmt dieser Treppeneffekt mit der Schichtdicke zu und mit steilerem Flächenwinkel ab. An einer Kuppel wird deshalb die flache Oberseite stufig, während der steile Fuß glatt bleibt.

In einer Versuchsreihe mit PLA und 0,4-mm-Düse war die Schichthöhe (0,15 gegenüber 0,25 mm) der einflussreichste von vier Parametern für die Rauheit. Der Mittenrauwert Ra lag bei 0,15 mm zwischen 15,4 und 20,0 µm, bei 0,25 mm zwischen 19,6 und 22,8 µm; die Werte gelten nur für jene Proben. Zur Kenngröße selbst siehe Oberflächenrauheit messen.

Eigenes Rechenbeispiel: Stufenbreite und Schichtanzahl

Wir nehmen ein 24 mm hohes Bauteil und drei feste Schichthöhen t an, ohne Sonderbehandlung der ersten Schicht. An einer Fläche mit dem Neigungswinkel α zur Waagerechten ist jede Stufe s = t / tan α breit; senkrecht zur Fläche weicht die Treppe um höchstens e = t × cos α von der Sollkontur ab (eigene geometrische Rechnung).

Bei 10° Neigung ist die Treppe fast so tief, wie die Schicht dick ist, bei 80° nur noch rund ein Sechstel davon. Bei gleicher Geschwindigkeit und Linienbreite wächst die reine Druckzeit ungefähr mit der Schichtanzahl: 0,1 mm braucht rund das Dreifache von 0,3 mm.

Dafür verlangt die dickere Schicht den dreifachen Volumenstrom, bei angenommenen 0,45 mm Linienbreite und 60 mm/s also 8,1 statt 2,7 mm³/s. Ob das Hotend diesen Durchsatz aufschmilzt, hängt von Hotend, Düse und Material ab. Alle Werte sind Lehrbeispiele, keine Einstellempfehlung.

Variable Schichthöhe: fein nur, wo es nötig ist

Die meisten Slicer legen die Schichten in konstantem Abstand an, schreibt UltiMaker; damit muss zwischen Druckzeit und Detail entschieden werden. Die adaptiven Schichten in Cura werten dagegen die Neigung der Außenwand aus: Rundungen erhalten feinere Schichten, senkrechte Bereiche dickere. In UltiMakers Beispiel sank die Druckzeit dadurch um 10 %.

In PrusaSlicer richtet die Funktion „Variable Schichthöhe“ die Schichten automatisch nach der Flächenneigung aus; das Ergebnis lässt sich bereichsweise verfeinern, vergröbern und glätten. Als Basis empfiehlt Prusa ein Profil nahe der überwiegend genutzten Schichthöhe.

Ob dabei Zeit gespart wird, hängt vom Vergleich ab. Gegenüber durchgehend feinen Schichten ist ein Gewinn zu erwarten, gegenüber durchgehend groben kostet die Verfeinerung Zeit. Elayeb und Kollegen verfeinerten von konstant 0,2 mm bis auf 0,05 mm und ermittelten je nach Bauteil 5,2 % bzw. 77 % längere Druckzeiten. Welche Flächen überhaupt flach liegen, entscheidet die Druckorientierung mit.

Typische Fehler und Grenzen

Ein häufiger Fehler ist, nur die Schichthöhe zu ändern. Prusa weist darauf hin, dass sich damit die ideale Wandstärke ändert und dass für dieselbe Deckschichtdicke bei 0,1 mm neun Deckschichten nötig sind, bei 0,3 mm nur drei. Wie die Einstellungen zusammenhängen, beschreibt der Beitrag zum Druckerprofil.

Die erste Schicht wird gesondert eingestellt; die Original-Prusa-Profile nutzen dafür immer 0,20 mm. Eine geänderte erste Schichthöhe erfordert laut Prusa meist eine neue Kalibrierung der ersten Schicht, etwa über den Z-Offset.

Waagerechte Flächen zeigen keine Treppe, deren Höhe wird aber auf ganze Schichten gerundet: Ein 5,1 mm hoher Absatz passt nicht in ein Raster aus 0,2-mm-Schichten (eigenes Beispiel). Für glatte Deckflächen sind Deckschichten oder Ironing zuständig, nicht die Schichthöhe.

Die Z-Achse muss die Schichthöhe zudem umsetzen. Bei einer angenommenen Spindel mit 8 mm Weg je Umdrehung und 200 Vollschritten entspricht ein Vollschritt 0,04 mm; 0,2 mm sind fünf Vollschritte, 0,1 mm zweieinhalb (eigene Rechnung). Ob das sichtbar wird, klärt nur ein Vergleichsdruck. Zur Festigkeit treffen die genannten Quellen keine allgemeine Aussage; für belastete Teile ist die Schichthaftung gesondert zu prüfen.

Auswahlliste für die Schichthöhe

Die Reihenfolge ist ein eigener Vorschlag.

• Obergrenze aus der Düse ableiten: unter 80 % des Düsendurchmessers.
• Sichtflächen beurteilen: Flache Schrägen und Kuppeln profitieren von feinen Schichten, senkrechte Wände zeigen rechnerisch keine Treppe.
• Vor dem Verkleinern der Schichthöhe die Orientierung prüfen.
• Bei gemischten Formen die variable Schichthöhe nutzen und die Druckzeit im Slicer gegen eine feste Höhe vergleichen.
• Deckschichten, Wandstärke und erste Schicht an die neue Schichthöhe anpassen.
• Bei großen Schichthöhen den Volumenstrom mit den Angaben zu Hotend und Filament abgleichen.
• Unter 0,10 mm nur gehen, wenn ein Vergleichsdruck sichtbaren Nutzen zeigt.