"Inzwischen gibt es Geräte, wie den 'Rap Man' auf dem Markt, die es erlauben, RP-Dienstleister zu umgehen bzw. zu ersetzten. Sie können sich Ihren Bedarf an Prototypen doch einfach und kostengünstigst selber bauen." – So eine Aussage eines unserer Kunden. "Das kostet dann nur mehr ein Bruchteil der ansonsten sehr teuren Prototypen" wurde ergänzt.
Da wir dies einfach nicht glauben konnten, beschlossen wir, ein solches Gerät zu beschaffen, zusammen zu montieren und damit unsere eigenen Vergleiche anzustellen.

Die vorliegende Analyse entspricht unserer Meinung. Gerne können sich Kunden unseres Unternehmens oder Studenten das Gerät bei uns ansehen und ggf. ihre eigenen Erfahrungen damit machen.

Hannes Hämmerle
Geschäftsleitung 1zu1 Prototypen GmbH & Co KG
Dornbirn, August 2011

 

Analyse von Philipp Peringer

Ich hatte von Juli bis August 2011 vier Wochen Zeit, einen BfB RapMan 3.1 3D-Drucker aufzubauen, in Betrieb zu nehmen und zu testen. Meine Aufgabenstellung war neben dem dokumentierten Aufbau, verschiedene Testteile auszudrucken und deren Qualität im Vergleich zu anderen RP-Technicken wie FDM-Druck, Lasersintering und STL-Druck zu testen.

Aufbau
Der Aufbau des Gerüsts des Druckers ist dank mehrerer im Internet verfügbarer Anleitungen sehr simpel. Besonders nützlich war für mich die 3D-Anleitung, die jeden einzelnen Bauschritt enthält und die aufgebauten Teilobjekte aus jeder Ansicht betrachtbar macht. Diese wird durch eine mit Fotos angereicherte schriftliche Schritt-für-Schritt-Anleitung ergänzt, die zusätzlich auf mögliche Risiken beim Bauschritt hinweist.

In den ersten zehn Stunden habe ich die acht Eckblöcke des Gerüstes sowie einige weitere Kleinteile fertig gestellt. Daraufhin begann das Zusammensetzen des Gerüstes. Dabei werden die Stahlstangen jeweils zwischen zwei Plexiglasplättchen eingespannt – dabei ist das Anziehen der Schrauben natürlich ein Abwägen zwischen einem möglicherweise verrutschenden Gerüst und brechendem Plexiglas. Die korrekten Abstände zwischen den Stahlstangen lassen sich dabei dank einem im Bausatz mitgelieferten Plexiglasstäbchen einfach einstellen. Ein wenig knifflig ist der Aufbau des oberen Rahmens nach Anleitung, weil er dabei für einige Zeit völlig ohne Fixierung an den vertikalen Stangen in Position bleiben muss. Anscheinend als zusätzliche Abstützmaßnahme gedacht sind diagonale Verstrebungen, die zwar einen eher wackeligen Eindruck machen, aber ihren Zweck erfüllen. Die Extruderhalterung und die Achsen, auf denen sie sich befindet, ruhen auf problemlos laufenden seriengefertigten Kugellagern.
Die beiden Extruder selbst wurden in diesem Paket mit bereits aufgebauten "hotends" (Extruderköpfen) geliefert, welche den Vorteil haben, dass sie im Vergleich zu den Bausätzen eine bessere Wärmeisolierung haben. Der Aufbau der Extruder wird von einer anderen Reihe Anleitungen beschrieben, die allerdings auch im Internet verfügbar sind. Problematischerweise waren in beiden Extruderbausätzen zwei der mitgelieferten Schrauben um 5 mm zu lang – jeweils eine davon musste aus bautechnischen Gründen durch eine kürzere Ersatzschraube ersetzt werden, die andere verursacht lediglich eine ästhetische Unschönheit.


Kalibrierung
Für den Aufbau des Druckers benötigte ich ungefähr 50 Stunden, allerdings war das meiner Meinung nach der leichtere Part. Bevor das Gerät sinnvoll in Betrieb genommen werden kann, muss es natürlich noch korrekt justiert werden. Zu den anzupassenden Einstellungen gehören die Schrägheit des Drückbettes, dessen Starthöhe, Differenzhöhe und Abstand der Extruderköpfe, Spannung aller 4 Gurte, Anpressdruck des Extrudergestells an die Kugellager auf denen es fährt und der Anpressdruck der Druckmaterialien an die vorschiebenden Gewindeschnecken. Besonders zu beachten ist auch die verwendete Firmwareversion – im bestellten "Twin Extruder Kit" ist auf der Platine werksmäßig die Firmwareversion für einen Extruder aufgespielt, erkennbar nur an dem angezeigten v4.1.1s statt v4.1.1d in der oberen rechten Displayecke. Dieses benötigte Firmwareupdate ist in keiner der Anleitungen erwähnt. Ärgerlicherweise war zum Bauzeitpunkt (20.07.2011) die auf der Website als Firmwaredownloadadresse angegebene Seite unter Wartungsarbeiten, man wurde auf eine veraltete Version der Downloadsite umgeleitet, die auch nicht die aktuelle Firmware des Gerätes zum Download anbot, sondern nur frühere Versionen. Da nirgendwo Informationen über die Risiken eines Downgrades angeboten wurden, suchte ich weiter und fand die aktuelle Firmware schließlich auf einer alternativen themenbezogenen Downloadsite. Der Installer der Firmware sorgte zunächst für Verwirrung, indem er bei dem Versuch, ihn von einem Netzwerklaufwerk zu starten, mit einer völlig aussagelosen Fehlermeldung abstürzte ("BfB Firmware Loader.exe hat ein Problem festgestellt und muss beendet werden"). Beim Start von der lokalen Festplatte gelang dann aber letztendlich das Firmwareupdate.

Zum Kalibrieren des Abstandes der zwei Extruderköpfe wird von BfB eine spezielle, automatisch generierte Kalibrierungsdatei zur Verfügung gestellt, die allerdings bei meinem Versuch den Druck einige Millimeter über dem Druckbett begann und damit leider nutzlos war – um den genauen Abstand zwischen den Druckköpfen herauszufinden, musste ich eine eigene G-Code-Datei schreiben.


Die Software
Da BfB eine eigene G-Code Syntax für das Drucken mit mehr als einem Extruder entwickelt hat, muss man die Dateien für den Druck mit der Software BfB Axon aufbereiten. Davon existieren im Moment zwei Versionen: das fertig gestellte Axon 1.11 und das in Entwicklung befindliche Axon 2.0 Beta 1. Da Letzteres aufgrund der Wartungsarbeiten auf der "Technical Resources"-Seite ebenfalls zum Testzeitpunkt nicht verfügbar war, habe ich die frühere Version verwendet. Die wichtigsten Neuerungen in Axon 2.0 sind der Wechsel auf eine neuere Version von Skeinforge (Die Software, die intern die Stl-Datensätze in G-Code-Dateien umwandelt) und die (für den Drucker BfB3000 verwendbare, aber für den RapMan irrelevante) Möglichkeit, mit 3 Extrudern zu drucken.

Axon 1.11 ermöglicht es, Stl-Dateien zu öffnen, die 3D-Objekte auf dem Druckbett zu justieren, die Spur, die der Drucker nehmen wird zu betrachten und die Datei schließlich auf der SD-Karte abzuspeichern. Mit Hilfe des Axon-eigenen Einstellungsmenüs kann man unter anderem die Drucktemperatur und ausgegebene Materialdichte für beide Extruder festlegen. Wesentlich vielfältigere Einstellungsmöglichkeiten bietet das über den Reiter "Advance" (sic!) erreichbare Skeinforge-Einstellungsmenü. Es ermöglicht genaues Konfigurieren des Füllalgorithmus für Flächen, Einstellungen für den Raft (das als Unterlage dienende Gitter) des Objekts und wesentlich genauere Einstellungen für die Temperatur- und Positionsänderungen des Extruders. Die Software biete keine Bedienungshilfe an, ist jedoch – mit wenigen Ausnahmen, wie zum Beispiel die Bedienung des G-Code-Anzeigefensters durchgehend verständlich und selbsterklärend.


Der Druck
Die vorgegebene Schichtdicke liegt bei 0.25 mm. Die theoretisch maximal mögliche Objektgröße liegt bei 190 x 205 x 210 mm für das Dual Head Modell.

Sobald die Motoren und Extruder liefen, kam der mit Spannung erwartete erste Testlauf. Verwendet wurde dafür die eine kleine Tasse beschreibende Datei M_Mug.bfb von der BfB-Homepage. Gedruckt wurde mit ABS bei von der Datei vorgegebenen 235°C. Die Bilder rechts zeigen das Resultat.

Nachdem sich herausgestellt hat, dass das Drucken mit ABS funktioniert, habe ich als nächstes eine Testdatei für ein komplexeres Objekt erzeugt, das zum Drucken auch Supportmaterial benötigt. Als Testobjekte dienten mir die STL-Datensätze eines zusammenpassenden Sets zweier Klemmen.

Das entpuppte sich letztendlich als schwierigeres Unterfangen als gedacht. Die ersten Versuche scheiterten, weil der Flächenfüllalgorithmus offensichtlich nicht imstande war, ein akzeptables System für diese schwierige Fläche zu finden. Die 1.5 mm breiten Wände des Objektes wurden – unabhängig von den verwendeten Einstellungen beim Erzeugen des G-Codes – als zwei parallel gedruckte Linien mit einer Spalte realisiert, eine Lösung, die weder besonders schön noch stabil ist. Bei einer Wand von der Dicke 6.4 mm führen die Standardeinstellungen dazu, dass entlang der Außenseiten der Wand jeweils drei gerade Schichten gedruckt werden und die inneren 2.5 mm in einem Zickzackmuster gedruckt, was letztlich dazu führte, dass an dieser Stelle zu viel Material vorhanden war, welches nach oben stand und den Druckkopf auf späteren Ebenen behinderte, wodurch sich die Fehler aufsummierten und der Druck abgebrochen werden musste. Axon bietet drei verschiedene Füllalgorithmen an, doch bei keinem davon trat eine Besserung ein. Letztendlich ist es mir gelungen, dieses Problem zu umgehen, indem ich zum einen die Materialdichte in den Axon-Einstellungen verringerte und zum Anderen die Anzahl der an den Wänden gerade gedruckten Linien von 3 auf 100 erhöhte und damit die ganze Wand gerade zeichnen ließ. Das verringerte allerdings logischerweise die Stabilität und Elastizität des Objektes an dieser Stelle und kann deshalb keine dauerhafte Lösung sein.

Problematisch ist auch die Supportverteilung, die Axon vorsieht. Einer der Test-STL-Datensätze hatte zwischen zwei Wänden eine 3.2 mm breite Lücke, über die später Material gedruckt wird. in diese Lücke kam kein Supportmaterial, was dazu führte, dass das Material von oben einsank und das Objekt sich an dieser Stelle verformte. Möglich gewesen wäre z. B. eine sehr schmale, das Objekt nicht berührende Supportschicht in der Mitte der Spalte zwischen den Wänden. Diese hätte wahrscheinlich bereits ausgereicht um das Absinken des Materials zu verhindern.

Ein weiteres Manko ist die Unfähigkeit der Firmware, beide Druckköpfe gleichzeitig zu heizen. während mit dem einen Druckkopf Support wird, kühlt der andere wieder ab und der Drucker muss vor seinem nächsten Einsatz eine ein- bis zweiminütige "Heizpause" einlegen. Ich verwendete ABS bei meist 255°C zum Drucken und PLA bei 195°C als Supportmaterial.

Am ärgerlichsten war jedoch der Matrialfeed im zweiten Extruder, der für das PLA-Filament zuständig war. Die Extruder schieben den Materialfaden mittels eines Gewindes in den Heizkopf. Der Anpressdruck des Fadens an das Gewinde wird mit einem anderen, speziell zusammengebauten Bauteil reguliert, durch Drehen zweier Schrauben kann dieser stufenlos reguliert werden. Ist der Anpressdruck zu niedrig, springt der Materialfaden immer wieder ein Stück zurück, ist er zu hoch, wird der im Extruder eingebaute Schrittmotor mit dem Vorschieben des Fadens überfordert. Normalerweise hat man einige Windungen Spielraum, doch scheinen sich bei diesem Extruder die Anpressschrauben in unregelmäßigen Abständen zu lockern, was dazu führt, dass der Faden immer wieder gelöst, aus dem Extruder gezogen, gesäubert, wieder eingeführt und neu eingestellt werden muss. Wenn das während einem Objektdruck passiert, hat man leider keine Möglichkeit, das begonnene Objekt zu retten. Die Schrauben mit einem Fixiermittel zu lackieren ist an dieser Stelle keine Lösung, weil sie zumindest bei jedem Materialwechsel benutzt werden müssen.


Probleme
Die Plexiglasteile des gesamten Gerätes sind mit einem Laser zugeschnitten. An manchen Stellen ist das leider nicht genau genug, wie zum Beispiel bei manchen der Extruderzahnräder. Die Verbindung zwischen dem Extruderschrittmotor und der das Material vorschiebenden Gewindeachse ist mittels Zahnrädern realisiert. Der Abstand dieser ist durch eine weitere Plexiglasplatte genau festgelegt, in die sich Motor und Achse genau einfügen. Bei den Umdrehungen der Zahnräder passierte es in unregelmäßigen Abständen, dass der Schrittmotor durch den Druck der beiden Zahnräder aneinander um einige Millimeter hochgehoben wurde. Um meine Vermutung, dass es an Unregelmäßigkeiten der Zahnräder liegt, zu bestätigen, zählte ich die Zähne der Zahnräder (das an der Mororachse befestigte hat 14, das andere 17), und wirklich wiederholte sich das Muster der Störungen alle 17 Umdrehungen des kleineren Zahnrads. Letztendlich wurde das Problem durch leichtes Aufbohren der Bohrlöcher in der Plexiglasscheibe gelöst, der Motor wurde um einen guten halben Millimeter nach außen verschoben.


Gedruckte Testobjekte
Ich habe neben den bereits erwähnten Klemmen noch einige andere Teile gedruckt, um die allgemeinen Fähigkeiten und die Genauigkeit des Druckers zu testen.

Wände von 0.4 - 2 mm (Wände unter 0.4 mm werden vom Programm ignoriert) – siehe Bilder rechts. Die ersten beiden wurden als eine durchgehende Linie mit der Dicke 0.8 mm gedruckt. Von 0.7 bis 1.1 mm bestehen die Wände jeweils aus zwei nebeneinander liegenden Linien, die Dicke einer solchen Wand beträgt 1.25 mm. Wände zwischen 1.2 und 1.8 mm werden als zwei Linien mit dazwischenliegendem Spalt gedruckt, das Phänomen, das schon bei der Klemme beobachtbar war. Bei dickeren Wänden wird der Spalt in der Mitte je nach ausgewähltem Füllalgorithmus ausgefüllt, wobei wieder alles um einige Zehntelmillimeter (Wert zwischen 0.2 und 0.7 mm gemessen) zu dick gedruckt wird.

Da sich durch das Drucken solch massiver Objekte das Druckbett an der entsprechenden Stelle sehr stark erhitzt, habe ich den Druckvorgang beim 2cm-Würfel zwecks Abkühlung des Druckobjektes mehrfach pausiert, um zu verhindern, dass sich das Objekt in die Plexiglasplatte schmilzt. Diese Stellen erkennt man an den breiteren Spalten an der Würfelseite, wo die untere Schicht während der Pause natürlich ebenfalls abgekühlt ist. Das Objekt hält an diesen Stellen kaum zusammen, deshalb sollte der Supportdruck meiner Meinung nach nicht verwendet werden – auch wenn nur während dem Druck von Supportmaterial pausiert wird, kühlt doch auch dann das Baumaterial stark ab.

Die Software, die die STL-Datensätze in G-Code-Dateien umwandelt, kommt oft zu äußerst fragwürdigen Resultaten. So kommen in einigen Objekten an Stellen, die im STL-Datensatz solid waren, im G-Code (und damit natürlich im Druck) einzelne Linien Support vor, was die Stabilität des Objektes an dieser Stelle drastisch verringert. Das passierte bei meinen Versuchen auch noch bei einer Wanddicke von 3.5 mm. Da ich in der Software keine Möglichkeit gefunden habe, das Problem zu beheben, habe ich letztlich darauf zurückgegriffen, die entsprechende Stelle aus dem G-Code zu suchen und die Zeile dort manuell herauszulöschen bzw. den PLA-Streifen während des Drucks manuell zu entfernen.

An manchen Stellen des Objektes ist die Adhäsion zwischen Druck- und Supportmaterial so gut, dass man die beiden gar nicht bzw. nur mit extremer Vorsicht voneinander lösen kann, ohne das Objekt selbst zu beschädigen. 

Beispielsweise hatte Axon schwere Probleme mit dem STL-Datensatz eines auf einer Ecke stehenden Würfels. Support wurde ausschließlich unter einer der drei nach unten geneigten Würfelseiten gedruckt, allerdings kommen in den schrägen Oberflächen und im Inneren des Würfels immer wieder einzelne Linien Supportmaterial vor, die das Objekt unbrauchbar machten. Die einzige Möglichkeit, diese Supportlinien komplett zu entfernen war wiederum, Support komplett zu deaktivieren, was das Objekt allerdings natürlich wieder beim Bau in eine völlig instabile Position brachte.

Bei Objekten, bei denen ein Hohlraum unter einem Dach entsteht, sollte man genau auf die Supporteinstellungen achten – oft ist es mit Standardeinstellungen sehr schwer bis unmöglich das Supportmaterial aus dem gedruckten Objekt zu entfernen. Selbst bei der Einstellung "Exterior only" kann es noch passieren, dass innerhalb des Objektes Support vorkommt, deshalb ist diese Beschreibung etwas irreführend.

Da es damit nicht möglich ist, für alle Objekte einen völlig entfernbaren Support einbauen zu lassen, müssen manche Objekte, wie das Gegenstück zu der Klemme oben, völlig ohne Support gebaut werden. Solche Objekte lassen sich leider mit diesem Drucker nur völlig unzureichend bauen.

Problematisch ist auch noch eine andere Eigenschaft des Druckers: Bei jedem Extruderwechsel (Wechsel zwischen Druck- und Supportmaterial) läuft der Extruder einige Umdrehungen in der Ruheposition, um das Material im Extruderkopf wieder vorzuschieben (Eigenartigerweise ist in der Standardeinstellung der Supportextruder auf 7 Umdrehungen Vorlauf eingestellt – ein vernünftiger Wert – während der Druckmaterialextruder 45 Umdrehungen macht und damit bei jedem Extruderwechsel ungefähr einen Meter Material vergeudet). Manchmal ziehen die Extruderköpfe diesen Vorlauf mit in das Modell und bauen ihn, wenn man ihn nicht sofort manuell entfernt, mit ein. Deshalb sollte auch während des gesamten Druckvorgangs unbedingt eine Person anwesend sein und aufpassen, ansonsten können im Extremfall Fehldrucke entstehen – siehe Bild rechts.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der RapMan einen klar umgrenzten Anwendungsbereich hat: Sein Aufbau, die Inbetriebnahme und das Drucken sind ausgezeichnet geeignet, um die Grundlagen des 3D-Druckens zu verstehen. Da man auch während dem Druck aufgrund des offenen Plexiglasgestells von allen Seiten sehr gut hineinsieht, kann man den gesamten Vorgang wesentlich besser mitverfolgen, als es bei einer professionellen FDM-Maschine der Fall ist. Daher ist er wirklich sehr gut für Ausbildungszwecke in Schulen geeignet – dieser Einsatzzweck passt auch ungefähr zu der Preisklasse. Die Teile hingegen lassen sich hingegen aufgrund ihrer Ungenauigkeiten, den Problemen der Software mit dem Support und auch deren Stabilität nicht wirklich sinnvoll verwenden. Teile sind in X- und Y-Dimension immer einige Zehntelmillimeter dicker, als sie sein sollten, dünne Wände können nur mit Spalte in der Mitte angelegt werden, und sobald man die STL-Datensätze um einen anderen Winkel als 90° dreht, kommen überall in (im Datensatz völlig soliden) Objekten Einzelne Streifen Supportmaterials vor. Die enttäuschende Objektqualität ist ein weiterer Hinweis dafür, dass es sich beim RapMan mehr um ein Objekt zur Demonstration des 3D-Drucks handelt, als um eine produktiv einzusetzende Maschine.

Philipp Peringer
Student, anlässlich Ferialpraxis bei 1zu1 Prototypen GmbH & Co KG
Dornbirn, August 2011

 

Kosten / Nutzen Vergleich

Ergänzend zur Analyse von Philipp Peringer ist folgendes fest zu halten:

Kosten in Euro
Gerät:

Gerät inkl. Transport 1.600,-
Montagezeit 100 Stunden á 30,-  3.000,-
Testläufe und Justage 60 Stunden á 30,- 1.800,-
Gesamtkosten Gerät bis lauffähig 6.400,-



Laufende Kosten der Bauteileherstellung
Ein autonomer Betrieb des Geräts ohne dauernde Prozessüberwachung durch eine Person ist aus unserer Sicht nicht möglich. Im Gegensatz dazu kann die vergleichbare Technologie = FDM  (verglichen mit einer FDM Anlage „Elite“ ohne personelle Überwachung betrieben werden). Da im Betrieb kein Student mehr zur Verfügung stehen würde, gehen wir von einem Personen-Stundensatz von 50,- € aus. Der Maschinen- Stundensatz einer FDM Elite liegt bei ca. 40,-

Kosten für ein Verschlussstück, wie es hier als Musterteil hergestellt wurde.

Rap Man:

Material 5,-
Maschinenlaufzeit 1 Std bei ca. Kostensatz 5,-/h  5,-
Personalbedarf Datenvorbereitung 6 Min 4,-
Personalbedarf Maschinenüberwachung 1 Std 50,-
Nachbearbeitung am Bauteil / Finish 6 Min 4,-
Gesamtkosten über RapMan 68,-

FDM Elite:

Material 3,-
Maschinenlaufzeit 20 Min / Kostensatz 40,-/h  13,40
Personalbedarf Datenvorbereitung 6 Min 5,-
Nachbearbeitung am Bauteil / Finish 3 Min 2,-
Gesamtkosten über FDM Elite 23,40

SLS PA/Lasersintern:

Gesamtkosten lt. Online Kalkulation bei 1zu1 Prototypen 15,-
Gesamtkosten über SLS EOS P100/Formiga 15,-

Nutzen = Qualität
Der Erfahrungs- und Testbericht zeigt, dass Bauteile, die mit einem RapMan hergestellt werden mit Teilen, die mit professionellen RP Technologien hergestellt werden nicht vergleichbar sind.

Solche Bauteile sind gemäß Anforderung-Kenntnisstand unseres Unternehmens (wir fertigen derzeit ca. 8.000 unterschiedliche Bauteile p.a.), wie sie von unseren Kunden vorliegen, für kein einziges Bauteil ausreichend.

Damit hergestellte Bauteile sind aufgrund des personellen Aufwandes sehr teuer (die teuersten im Vergleich mit den gängigen Technologien.

Wir sehen die Anwendung als „Spielzeug“ im privaten Bereich, wo Kosten und Zeiten keine Rolle spielen. Von einer professionellen Verwendbarkeit ist jedenfalls diese Technologie weit entfernt.  Dennoch möchten wir die gemachte Erfahrung keinesfalls missen und sind der gestellten Anforderung unseres Kunden sehr dankbar.

Hannes Hämmerle
Geschäftsleitung 1zu1 Prototypen GmbH & Co KG
Dornbirn, August 2011