Die Bedeutung von Düsen beim Hochgeschwindigkeits-FFF-Druck

Hochgeschwindigkeits-FFF-3D-Druck erfordert das Extrudieren großer Materialmengen pro Sekunde. Der maximale Volumenstrom wird definiert als Produkt aus Düsendurchmesser × Schichthöhe × Druckgeschwindigkeit. Bei Desktop-Druckern liegt der Standardwert bei etwa ~15 mm³/s für PLA und ~10 mm³/s für ABS/ASA/PETG. Es ist jedoch zu beachten, dass z. B. ASA höhere Volumenströme als PLA erreicht, da dieses Material aufgrund seiner Eigenschaften weniger Zeit zum Abkühlen pro Schicht benötigt. Um diese Werte zu überschreiten, ohne die Qualität zu verlieren, muss das Hotend/Nozzle-Design angepasst werden, um die Kontaktfläche zwischen der Heizzone des Hotends und dem Filament zu vergrößern, damit das Material schneller schmilzt.

Bild 1: Schema der Funktionsweise eines Hotends. Quelle: Nature.com

Traditionelles Design: Volcano und SuperVolcano

Eine klassische Strategie bestand darin, den Heizblock (Schmelzzone) zu verlängern. Beispielsweise verwenden E3D-Hotends vom Volcano-Typ einen längeren Aluminiumblock, der die Schmelzzone vergrößert. Dies erhöht den Volumenstrom um ca. 70 % im Vergleich zu einem Standard-V6-Hotend. Die folgende Abbildung zeigt ein Volcano-Hotend mit seinem großen Schmelzblock:

Bild 2: E3D Volcano Hotend mit verlängerter Schmelzzone. Quelle: E3D.

E3D entwickelte zudem das SuperVolcano mit noch längerem Block und stärkerer Heizleistung. Laut E3D erreicht der SuperVolcano 11-fach den Durchsatz eines Standard-V6 (praktisch bis ~32 mm³/s mit PLA bei 0,4 mm Düse und 0,2 mm Schichthöhe). Diese Düsen ermöglichen das Drucken mit großen Düsendurchmessern (0,6–1,4 mm) bei sehr hohen Geschwindigkeiten und erzeugen dicke Linien sowie stabile Verbindungen. Allerdings sind höhere Temperaturen und Heizleistung nötig, um das Filament flüssig zu halten.

Mehrkanal-Düsen: CHT und High Flow

Die neueste Strategie setzt auf Mehrkanal-Düsen: interne Designs, die das Filament in mehrere Stränge aufteilen, um es von innen zu schmelzen. Bondtech (mit der Marke 3DSolex) war Pionier der CHT®-Technologie (Core Heating Technology) mit 3 internen Schmelzkanälen. Anders als normale Düsen (von außen nach innen) teilt die CHT den Filamentkern in drei Stränge auf, wodurch die Schmelzfläche deutlich vergrößert wird. Dies verbessert den Durchsatz ohne Änderung des Hotends; Tests zeigen, dass eine CHT-Düse den Volumenstrom um ca. 30 % über einen Standard-V6 steigert. Außerdem arbeiten CHT-Düsen für denselben Durchsatz häufig bei niedrigeren Temperaturen und erlauben größere Ausgangs-Durchmesser.

Bild 3: CHT-Düsen. Quelle: Bondtech.

E3D hat zudem Mehrkanal-Designs mit vier Kanälen eingeführt. Ein Beispiel ist die Düse Unicorn (in Zusammenarbeit mit Creality) oder die neuen High Flow-Düsen für moderne Extruder. Diese Düsen teilen das Filament in 4 interne Kanäle, was die Kontaktfläche und Wärmeübertragung erheblich steigert. Das folgende Bild zeigt einen Querschnitt der E3D-“Unicorn”-Düse (Messing oben, ObXidian unten); innen werden die Filamentwege vervielfacht:

Bild 4: Querschnitt der E3D/Creality Mehrkanal-Düse “Unicorn”. Das Innenleben teilt das Filament in vier Kanäle und vergrößert die Schmelzfläche. Quelle: E3D.

Mit diesem Design erreicht die Unicorn-Düse sehr hohe Durchsätze: bis zu 52 mm³/s, wodurch Druckgeschwindigkeiten von ~600 mm/s bei kontinuierlicher Extrusion möglich sind. Prusa Research nutzte eine ähnliche Düse (von E3D entwickelt) für den Nextruder MK4, mit dem Hinweis, dass das 4-Kanal-Design “die Kontaktfläche vergrößert und den Volumenstrom verbessert”. Zusammengefasst gilt: mehr Kanäle = größere interne Schmelzfläche = höherer Durchsatz.

Vergleich der Volumenströme

In Zahlen zeigt sich der Vorteil dieser Hochflussdüsen gegenüber herkömmlichen Düsen:

• Standard-V6-Düse (0,4 mm, 0,2 mm Schicht): typischerweise ~10–15 mm³/s (PLA ~15 mm³/s; ABS, PETG ~10 mm³/s), Standardlimit ohne Modifikationen.
• Hotend Volcano (0,4 mm, 0,2 mm): ~20 mm³/s (≈+70 % gegenüber V6) durch verlängerten Block.
• Hotend SuperVolcano: bis zu ~32 mm³/s mit PLA (11× V6) durch größere Fläche und Leistung.
• Bondtech CHT-Düse (3 Kanäle): ca. +30 % Volumenstrom (~18–20 mm³/s).
• E3D Unicorn / High Flow-Düse (4 Kanäle): ~52 mm³/s (0,4 mm, PLA), deutlich über herkömmlichen Düsen.
• Raise3D Pro3 HS (Hyper FFF): neue Hotends verdoppeln den Volumenstrom (+200 %), wodurch mehr Material pro Sekunde extrudiert wird.

Diese Werte zeigen, dass fortschrittliche Düsendesigns Geschwindigkeiten (>300–600 mm/s) ermöglichen, die mit normalen Düsen unmöglich wären, ohne Unterextrusion bei schnellen Bewegungen.

Raise3D-Lösungen für Hochgeschwindigkeit

Raise3D ist führend bei kommerziellem Hochgeschwindigkeits-FFF-Druck. Das Hyper FFF Kit (für Pro3) integriert Hardware- und Softwareverbesserungen. Enthalten sind redesignte Hochfluss-Hotends (Verdoppelung des Volumenstroms) und Firmware mit Resonanzausgleich. Die neue Pro3 HS-Serie ist werkseitig vorbereitet: Jeder Pro3 HS enthält ein Hochfluss-Hotend mit Siliziumkarbid-Düse und Hyper Core-Filamente, wodurch Druckgeschwindigkeiten von 200–300 mm/s zuverlässig erreicht werden.

Bild 5: Raise3D Hyper Speed Kit für Pro3 HS, mit Hochfluss-Hotends und optimierten Filamenten. Quelle: Raise3D.

Zusammenfassend kombiniert Raise3D fortschrittliche Hochfluss-Hotends (+200 % Volumenstrom) mit angepassten Filamenten und Firmware. Dieser ganzheitliche Ansatz maximiert die Produktivität und reduziert die Druckzeit um 30–70 % bei gleichbleibender Qualität.

Fazit

Das Düsendesign ist entscheidend für Hochgeschwindigkeits-FFF-Druck, da es direkt den Volumenstrom begrenzt. Um diesen zu erhöhen, muss die Schmelzzone vergrößert werden — durch Verlängerung des Aluminiumblocks (Volcano, SuperVolcano) oder durch Mehrkanal-Düsen, die das Filament von innen schmelzen (Bondtech CHT 3-Kanal, E3D 4-Kanal etc.). Diese Lösungen ermöglichen mehrere Faktoren höhere Durchsätze als Standarddüsen und damit deutlich höhere Druckgeschwindigkeiten. Raise3D setzt auf Hochfluss-Hotends (Keramik-/Hartmetall-Düsen) in Hyper FFF-Systemen und verdoppelt den Extrusionsdurchsatz. Insgesamt ist die Weiterentwicklung von Düsendesigns (größere Kontaktfläche und thermische Effizienz) der Schlüssel, um schneller zu drucken, ohne Qualitätseinbußen.