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Industrial 3D printing
Stable processes despite abrasive filaments

 Abrasive materials quickly push conventional printer nozzles to their limits. With DIANOZ, Mach-3D is opting for a wear-resistant solution for reproducible printing processes – and will in future integrate the diamond nozzle as standard into its systems.

Diamant-Druckdüse DIANOZ von Mach-3D für den verschleißarmen 3D-Druck abrasiver Materialien

Mach-3D brings together several additive production technologies under one roof: since 2024, the company has been operating FDM, SLA and SLS systems for prototype manufacturing and series production just outside Kiel. In addition, Mach-3D develops and manufactures its own industrial 3D printing systems, which are used to print functional components, fixtures, housings, machine components and large-format technical components. The materials used are primarily engineering plastics and glass fibre-reinforced materials.

Abrasive materials: a challenge

The demands are high – particularly on a small but central part of the 3D printer: the printer nozzle. “For us, process reliability, wear resistance and consistently high print quality are the top priorities,” explains Erik Dieckmann, director of Mach-3D. “The nozzle must ensure consistent extrusion behaviour over a long period, even when using abrasive materials. Furthermore, we expect high dimensional accuracy of the components, clean surfaces and the ability to reliably achieve higher material throughput rates for industrial applications.” And that is often where the real challenge lies of the matter lies, as Dieckmann knows from experience: “The biggest challenge lies in the high abrasiveness of glass fibre-reinforced materials. Conventional nozzles wear out relatively quickly in this context.”

Industrieller 3D-Druck: Stabile Prozesse trotz abrasiver Filamente<br />
Abrasive Materialien bringen konventionelle Druckdüsen schnell an ihre Grenzen. Mit DIANOZ setzt Mach-3D auf eine verschleißstabile Lösung für reproduzierbare Druckprozesse – und integriert die Diamant-Düse künftig serienmäßig in seine Systeme.<br />
Mach-3D vereint mehrere additive Fertigungstechnologien unter einem Dach: Seit 2024 betreibt das Unternehmen vor den Toren Kiels FDM-, SLA- und SLS-Anlagen für die Prototypenfertigung und Serienproduktion. Ergänzend entwickelt und fertigt Mach-3D eigene industrielle 3D-Drucksysteme, mit denen Funktionsbauteile, Vorrichtungen, Gehäuse, Maschinenkomponenten und großformatige technische Bauteile gedruckt werden. Als Werkstoffe kommen dabei hauptsächlich technische Kunststoffe und glasfaserverstärkte Materialien zum Einsatz.<br />
Abrasive Materialien als Herausforderung<br />
Die Ansprüche sind hoch – vor allem an einen kleinen, aber zentralen Teil des 3D-Druckers: Die Druckerdüse. „Für uns stehen vor allem Prozesssicherheit, Verschleißfestigkeit und eine gleichbleibend hohe Druckqualität im Vordergrund“, erklärt Erik Dieckmann, Geschäftsführer von Mach-3D. „Die Düse muss auch bei abrasiven Werkstoffen über lange Zeit ein konstantes Austragsverhalten gewährleisten. Darüber hinaus erwarten wir eine hohe Maßhaltigkeit der Bauteile, saubere Oberflächen und die Möglichkeit, auch größere Materialdurchsätze für industrielle Anwendungen zuverlässig zu realisieren.“ Und genau da liegt oft der Knackpunkt, wie Dieckmann aus Erfahrung weiß: „Die größte Herausforderung liegt in der hohen Abrasivität glasfaserverstärkter Materialien. Herkömmliche Düsen verschleißen hier relativ schnell.“<br />
In der Praxis führte das bei Mach-3D häufig zu instabilen Prozessen. Der Düsendurchmesser änderte sich mit der Laufzeit und damit auch das Extrusionsverhalten der Düse. Die Folge: Qualitätsschwankungen, zusätzlicher Prüfaufwand und ungeplante Stillstände. Besonders bei großformatigen Bauteilen mit langen Druckzeiten von Stunden oder sogar Tagen sowie bei Projekten mit hohen Anteilen glasfaserverstärkter Materialien wurden die Grenzen herkömmlicher Düsen deutlich.<br />
Klassische Lösungen stoßen an Grenzen<br />
Mach-3D versuchte, mit Stahldüsen und Rubindüsen das Verschleißproblem beim Druck abrasiver Materialien in den Griff zu bekommen. Beide Ansätze lieferten jedoch keine stabile Lösung für den industriellen Dauereinsatz. Bei den Stahldüsen trat bei längerem Einsatz Verschleiß auf, der die Druckqualität beeinflusste. Rubindüsen boten zwar eine hohe Verschleißfestigkeit, waren jedoch empfindlicher gegenüber mechanischen Belastungen. „Für den laufenden Betrieb bedeutete dies zusätzlichen Wartungsaufwand und teilweise ungeplante Stillstände“, so Deickmann. Entscheidend war daher die Suche nach einer Düse, die nicht nur länger hält, sondern dabei auch konstante Ergebnisse liefert.<br />
DIANOZ bringt Prozessstabilität zurück<br />
Mit der Diamantdüse DIANOZ von Gühring gelang der Wechsel zu einer stabilen Lösung. Was diese Düse so besonders macht: Die DIANOZ verfügt über eine Spitze aus polykristallinem Diamant (PKD) mit deutlich höherer Härte als Messing oder gehärteter Stahl, wodurch Geometrie und Austrittsdurchmesser auch bei abrasiven Filamenten stabil bleiben. Der Filamentkanal ist reibungsoptimiert und im konischen Engbereich diamantverstärkt ausgeführt, um Verschleiß und Strömungsstörungen zu minimieren. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit des Diamanten entspricht die tatsächliche Düsentemperatur weitgehend der Solltemperatur, was zu reproduzierbaren thermischen Bedingungen im Schmelzbereich führt.<br />
Für Mach-3D zeigt sich der Nutzen im Betrieb: „Der größte Vorteil liegt für uns in der Kombination aus hoher Verschleißfestigkeit, Prozesssicherheit und gleichbleibender Druckqualität“, sagt Erik Dieckmann. DIANOZ liefere ihm endlich die Zuverlässigkeit, nach der er gesucht hatte. „Bereits nach den ersten Druckversuchen war erkennbar, dass die Düse für den industriellen Einsatz entwickelt wurde“, berichtet Dieckmann. Besonders überzeugt habe ihn die Kombination aus hochwertiger Verarbeitung, technischer Auslegung für abrasive Materialien und der Erfahrung von Gühring als Zerspanungsspezialist.<br />
Konstante Qualität über lange Laufzeiten<br />
Die Wirkung wird vor allem im Langzeiteinsatz sichtbar. Während sich bei konventionellen Düsen das Druckbild verändert, bleibt DIANOZ stabil. „Auch nach der Verarbeitung abrasiver Materialien konnten wir keine relevanten Veränderungen hinsichtlich Druckbild, Materialfluss oder Bauteilqualität feststellen“, bestätigt Dieckmann.<br />
Diese Stabilität verbessert die Reproduzierbarkeit. Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität bleiben konstant, unabhängig von der Laufzeit. Gleichzeitig sinkt der Wartungsaufwand. „Wir konnten den Aufwand für Kontrolle, Wartung und Düsenwechsel spürbar reduzieren“, erklärt Dieckmann.  Die Maschinen laufen länger ohne Eingriff, die Produktion lässt sich besser planen.<br />
Partnerschaft statt Lieferantenbeziehung<br />
Mittlerweile setzt Mach-3D die Diamantdüse als Standard in der eigenen Produktion ein. „Aus einer klassischen Lieferantenbeziehung hat sich eine enge technologische Partnerschaft entwickelt“, beschreibt Dieckmann. Dabei schätzt der Geschäftsführer an Gühring vor allem, dass der Werkzeughersteller zwei entscheidende Faktoren vereint: hervorragende Produktqualität und jahrzehntelange Erfahrung im Bereich hochverschleißfester Präzisionswerkzeuge. „Während viele Anbieter ausschließlich aus dem 3D-Druck-Umfeld kommen, bringt Gühring umfangreiches Know-how aus der Zerspanung und Werkstofftechnik mit“, stellt Dieckmann fest. „Diese Kompetenz spiegelt sich unmittelbar in der Leistungsfähigkeit der DIANOZ-Düsen wider.“<br />
Die Zusammenarbeit mündet nun in eine OEM-Partnerschaft. Mach-3D wird DIANOZ serienmäßig in seinen neuen Großformatdruckern einsetzen. „Für unsere neue Maschine war klar, dass wir unseren Kunden auch bei der Druckerdüse von Beginn an eine bewährte Lösung anbieten möchten“, begründet Dieckmann diese Entscheidung. DIANOZ erfüllt die hohen Anforderungen der Industrie, und in Kombination mit den Großformatdruckern von Mach-3D entsteht ein abgestimmtes System für die Anwender.<br />
Industrieller 3D-Druck mit DIANOZ-Diamantdüse von Gühring zur Verarbeitung abrasiver Filamente und glasfaserverstärkter Kunststoffe mit hoher Prozesssicherheit.

In practice, this frequently led to unstable processes at Mach-3D. The nozzle diameter changed over time, and with it the extrusion behaviour of the nozzle. The result: fluctuations in quality, additional testing effort and unplanned downtime. The limitations of conventional nozzles became particularly apparent with large-format components requiring long runtimes of hours or even days, as well as in projects involving high proportions of glass fibre-reinforced materials.

Traditional solutions reach their limits

Mach-3D attempted to tackle the wear problem when printing abrasive materials using steel nozzles and ruby nozzles. However, neither approach provided a stable solution for continuous industrial use. With the steel nozzles, wear occurred during prolonged use, which affected print quality. Although ruby nozzles offered high wear resistance, they were more sensitive to mechanical stress. “For day-to-day operations, this meant additional maintenance work and, in some cases, unplanned downtime,” said Deickmann. It was therefore crucial to find a nozzle that not only lasts longer but also delivers consistent results.

DIANOZ restores process stability

The switch to a stable solution was achieved with Gühring’s DIANOZ diamond nozzle. What makes this nozzle so special is that the DIANOZ features a polycrystalline diamond (PCD) tip with a significantly higher hardness than brass or hardened steel, ensuring that the geometry and exit diameter remain stable even with abrasive filaments. The filament channel is friction-optimised and diamond-reinforced in the tapered section, to minimise wear and flow disturbances. Due to diamond’s high thermal conductivity, the actual nozzle temperature largely corresponds to the setpoint temperature, resulting in reproducible thermal conditions in the melt zone.

“The biggest challenge lies in the high abrasiveness of glass fibre-reinforced materials. Conventional nozzles wear out relatively quickly in this context.”

Erik Dieckmann
CEO, Mach-3D

For Mach-3D, the benefits are evident in operation: “For us, the greatest advantage lies in the combination of high wear resistance, process reliability and consistent print quality,” says Erik Dieckmann. DIANOZ finally provides him with the reliability he had been seeking. “It was clear even after the first print tests that the nozzle had been developed for industrial use,” reports Dieckmann. He was particularly impressed by the combination of high-quality workmanship, technical design for abrasive materials and Gühring’s experience as a machining specialist.

Consistent quality over long runtime

The benefits are particularly evident during long-term use. Whilst the print pattern changes with conventional nozzles, DIANOZ remains stable. “Even after processing abrasive materials, we could not detect any significant changes in terms of print pattern, material flow or component quality,” confirms Dieckmann. This stability improves reproducibility. Dimensional accuracy and surface quality remain constant, regardless of runtime. At the same time, maintenance requirements are reduced. “We have been able to significantly reduce the effort involved in inspection, maintenance and nozzle replacement,” explains Dieckmann.  The machines can run for longer periods without intervention, making production planning easier.

Partnership rather than a supplier relationship

Mach-3D now uses the diamond nozzle as standard in its own production. “A close technological partnership has developed from what was once a traditional supplier relationship,” says Dieckmann. The director particularly values the fact that Gühring combines two crucial factors: outstanding product quality and decades of experience in the field of high-wear-resistant precision tools. “Whilst many suppliers come exclusively from the 3D printing sector, Gühring brings extensive expertise from the fields of machining and materials technology,” notes Dieckmann. “This expertise is directly reflected in the level of performance of the DIANOZ nozzles.”

The collaboration is now leading to a OEM partnership. Mach-3D will use DIANOZ as standard in its new large-format printers. “For our new machine, it was clear that we wanted to offer our customers a tried-and-tested solution right from the start, including for the printer nozzle,” says Dieckmann, explaining the decision. DIANOZ meets the industry’s high requirements, and in combination with Mach-3D’s large-format printers, this creates a seamlessly integrated system for users.

“Our customers benefit from greater process reliability and improved predictability,” explains Dieckmann. The partnership between Gühring and Mach-3D thus demonstrates how additive manufacturing can be industrialised – through components that deliver in operation and through collaboration that extends beyond the products themselves.

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