Diffusoren aus dem Drucker

Ein Diffusor hat eine einzige Aufgabe: Er soll eine punktförmige Lichtquelle in eine flächige verwandeln, ohne dabei zu viel Licht zu schlucken. Bei gegossenem Acryl oder mattiertem Glas ist das ein Problem der Materialchemie — Streupartikel im Volumen, gleichmäßig verteilt, isotrop. Bei einem im Schmelzschichtverfahren gedruckten Körper ist es etwas anderes: Die Streuung entsteht überwiegend an Grenzflächen, die der Drucker selbst erzeugt, und diese Grenzflächen sind nicht zufällig verteilt. Sie liegen in Bahnen, in Schichten, in einem Raster. Genau daraus folgt, dass gedruckte Leuchten anders leuchten — nicht schlechter, aber mit einer eigenen Charakteristik, die man entweder gestaltet oder erleidet.

Wo die Streuung wirklich entsteht

Ein FDM-Bauteil aus transluzentem Material ist optisch ein Schichtpaket mit eingelagerten Lufteinschlüssen. Jede Bahn, die eine Düse ablegt, liegt als flach gedrückter Zylinder neben der nächsten. Zwischen zwei benachbarten Bahnen bleibt ein schmaler, langgezogener Hohlraum, weil sich zwei Rundungen nicht spaltfrei berühren. Diese Hohlräume sind die eigentlichen Streuzentren. Ihr Brechungsindexsprung von Kunststoff zu Luft liegt bei etwa 1,5 zu 1,0 — deutlich größer als bei den Streupartikeln in einem industriellen Opalmaterial.

Das erklärt zwei Beobachtungen, die zunächst widersprüchlich wirken. Erstens: Gedruckte Diffusoren streuen bei gleicher Wandstärke stärker als opales Acryl derselben Dicke. Zweitens: Sie streuen ungleichmäßig, weil die Hohlräume alle in dieselbe Richtung laufen — parallel zur Bahn. Wir haben an einer 1,2 mm starken Testwand aus transluzentem PETG die Halbwertsbreite der Streukeule quer und längs zur Bahnrichtung gemessen. Quer zur Bahn kamen wir auf rund 42 Grad, längs auf etwa 28 Grad. Ein Diffusor, der eigentlich rotationssymmetrisch streuen sollte, wirft also eine leicht ovale Keule. Bei einer Kugelleuchte fällt das kaum auf. Bei einem flachen Wandpaneel mit sichtbaren LED-Positionen ist es der Unterschied zwischen einer ruhigen Fläche und einer, in der man die Leuchtdioden zählen kann.

Versuchsreihe: sechs Wände, eine Lichtquelle

Für die Reihe haben wir sechs Probekörper gedruckt, jeweils ein Hohlzylinder von 80 mm Durchmesser und 100 mm Höhe, alle auf demselben handelsüblichen FDM-Drucker, 0,4-mm-Düse, 0,2 mm Schichthöhe, PETG natur bei 235 °C Düse und 75 °C Bett. Variiert wurde ausschließlich die Wandstärke: 0,8 / 1,2 / 1,6 / 2,0 / 2,4 / 3,2 mm, was bei 0,42 mm Extrusionsbreite zwei bis acht Perimeterbahnen entspricht. Als Quelle diente ein COB-Modul mit 4,5 W, 2700 K, ohne eigene Optik, mittig auf der Achse.

Gemessen haben wir die Beleuchtungsstärke in 300 mm Abstand mit einem einfachen Luxmeter, jeweils an neun Punkten auf einem Raster, und die Standardabweichung über diese neun Punkte als Maß für die Gleichmäßigkeit. Die Transmission fiel erwartungsgemäß mit der Wandstärke, aber nicht linear: von 0,8 auf 1,6 mm verloren wir rund 18 Prozent, von 1,6 auf 3,2 mm noch einmal 31 Prozent. Die Gleichmäßigkeit verbesserte sich dagegen deutlich bis 2,0 mm und danach fast gar nicht mehr. Die Standardabweichung sank von 14,8 Prozent bei 0,8 mm auf 4,1 Prozent bei 2,0 mm und dann nur noch auf 3,6 Prozent bei 3,2 mm.

Der praktische Schluss ist unspektakulär, aber belastbar: Zwischen 1,6 und 2,0 mm liegt bei dieser Materialkombination der brauchbare Kompromiss. Dickere Wände kosten Licht und Druckzeit, ohne das Leuchtbild noch nennenswert zu beruhigen. Wer eine bestimmte Helligkeit braucht, sollte die Wand nicht dünner machen, sondern den Abstand zwischen Quelle und Wand vergrößern — das wirkt auf die Gleichmäßigkeit stärker als jede Wandstärkenänderung.

Der Fehlversuch: Vasenmodus und die Nahtspur

Der interessanteste Teil der Reihe war der, der nicht funktioniert hat. Naheliegend schien, die Diffusorwand im Vasenmodus zu drucken — also als einzige, spiralförmig aufsteigende Bahn ohne Schichtwechsel. Vorteil: keine Z-Naht, keine Anfahrpunkte, eine geschlossene Wand ohne Fügestellen zwischen Perimetern. Wir haben das mit einer 0,8-mm-Düse und 0,3 mm Schichthöhe versucht, um auf eine tragfähige Wandstärke von etwa 0,9 mm zu kommen.

Das Ergebnis war optisch schlechter als jede mehrbahnige Variante. Im Leuchtbild zeigte sich eine deutlich sichtbare, senkrecht durchlaufende Helligkeitsspur, etwa 3 mm breit und rund 9 Prozent heller als die Umgebung. Ursache ist die Stelle, an der die Spirale pro Umdrehung um eine Schichthöhe ansteigt: Dort ist die Wand geometrisch minimal dünner und die Bahn leicht verzogen. Bei einem opaken Objekt sieht man das nicht. Ein Diffusor macht daraus eine Lichtsäule.

Der zweite Fehler war grundsätzlicher. Wir hatten angenommen, dass eine einzige dicke Bahn wegen der fehlenden Zwischenräume klarer, also transmissionsstärker wirkt. Sie war tatsächlich um etwa 11 Prozent heller — aber sie streute so schwach, dass die Position des Leuchtmittels durch die Wand sichtbar blieb. Die Zwischenräume, die wir für einen Verlust hielten, sind der Wirkmechanismus. Wer sie eliminiert, hat keinen besseren Diffusor, sondern eine leicht trübe Hülle.

Düsendurchmesser als optischer Parameter

Aus diesem Fehlschlag folgt eine Regel, die wir seither anwenden: Der Düsendurchmesser ist bei Leuchten kein Zeitparameter, sondern ein Lichtparameter. Eine 0,4-mm-Düse erzeugt bei 2,0 mm Wandstärke etwa fünf Bahnen nebeneinander und damit vier innere Grenzflächen pro Wandquerschnitt. Eine 0,8er kommt bei gleicher Wandstärke auf zweieinhalb Bahnen und rund zwei Grenzflächen. Die feinere Düse streut merklich weicher, kostet aber im Testkörper 2,3-mal so viel Druckzeit.

Eine dritte Variante hat uns überrascht: gezielt unterextrudiert. Wir haben den Extrusionsmultiplikator auf 0,92 gesetzt, wodurch die Bahnen sich nicht mehr vollständig verschmelzen und die Hohlräume größer werden. Die Streuung nahm sichtbar zu, die Transmission fiel um etwa 7 Prozent, und die Gleichmäßigkeit verbesserte sich auf ein Niveau, das sonst erst bei 2,8 mm Wandstärke erreicht wurde. Der Preis ist mechanisch: Solche Wände sind spröde und delaminieren unter Biegung früh. Für eine hängende Schirmleuchte ohne Handkontakt ist das vertretbar, für eine Tischleuchte, die umkippt, nicht.

Was wir als Nächstes prüfen

Offen bleibt die Frage der Materialabhängigkeit. PETG natur und PLA natur verhalten sich in unseren Messungen ähnlich, aber ein transluzentes TPU streute in einem Vorversuch bei gleicher Wandstärke spürbar diffuser — vermutlich, weil die weichere Schmelze die Bahnzwischenräume anders ausformt. Wir bereiten dazu eine Reihe mit drei Materialien bei identischer Geometrie vor.

Ebenfalls offen: die Wechselwirkung zwischen Diffusor und Innenraumgeometrie. Alle Testkörper waren innen glatt. Eine strukturierte Innenwand — etwa mit einem groben Sägezahnprofil von 1,5 mm Teilung — könnte einen Teil der Streuarbeit übernehmen und die Wandstärke reduzieren. Erste Drucke stehen, die Messung folgt in der nächsten Ausgabe.