In dieser Lerneinheit beschäftigen sich die Schüler:innen mit interessanten Inhalten rund um den 3D-Druck. Einführend schauen sie sich verschiedene Druckverfahren und den 3D-Druck als industrielle Revolution an, erfahren etwas über das (Stütz-)Material von 3D-Objekten und schauen sich am Ende im Speziellen den Prusa Mini an. Begleitet werden sie dabei durch viel Anschauungsmaterial, ein Erklärvideo und ein Lernposter.
Das 3D-Druckverfahren ist gar nicht so neu wie wir glauben. Den ersten funktionierenden 3DDrucker gab es bereits 1984. Bereits einige Jahre später wurden die ersten Prototypen erstellt. Die Techniken und Materialien sind mittlerweile vielfältig und finden in den unterschiedlichen Bereichen Anwendung. 3D-Objekte erstellt man mit einem CAD (Computer-aided Design) Programm. Hier siehst du einige 3D-gedruckte Objekte.
Das erste ist die Stereolithografie, kurz SLA, eine additive Fertigungstechnik, die mit einer Lichtquelle (UV-Laser oder Projektor) zur Aushärtung arbeitet. Dabei wird flüssiger Kunstharz zu hartem Kunststoff. Die Kunstharze reagieren mit dem Licht und härten so aus. Wenn SLA-Kunstharze bestimmten Lichtwellenlängen ausgesetzt werden, vereinen sich kurze Molekülketten und es entstehen steife oder flexible Geometrien. SLA-Teile liefern die höchste Auflösung und Genauigkeit, Vielfalt, den höchsten Detailgrad und die glatteste Oberfläche aller 3D-Drucktechnologien. Dafür ist es im Vergleich recht teuer. Wie anatomische Modelle im SLA-Verfahren erstellt werden, kannst du dir hier anschauen: https://www.tinkertoys.de/3d5sla
Genau andersherum arbeitet das Selektive Lasersintern, kurz SLS. Hierbei wird Material in Pulverform (meist Quarzsand oder Kunststoffpulver) punktuell von einem Laser geschmolzen. Hier wird Schicht für Schicht das Werkstück aufgetragen (Schichtbauverfahren). Ein Vorteil ist, dass u.a. auch Hinterschneidungen erstellt werden, die mit dem SLA-Verfahren nicht möglich sind. Das sind Konstruktionselemente, die frei am Gussteil hervorstehen. Nachteile sind der hohe maschinelle sowie zeitliche Aufwand. Das Verfahren wird meist zum Fertigen von Prototyen oder kleinen Stückzahlen komplizierter Werkstücke verwendet. Wenn das Pulver nicht geschmolzen, sondern Schicht für Schicht verklebt wird, spricht man vom 3D-Printing. So kann auch z.B. Gibs verwendet werden. Solch ein Drucker kostet 150.000 Euro und pro Kilogramm Material zahlt man nochmal ca. 450 Euro. Wie faszinierend das Selektive Lasersintern arbeitet kannst du dir hier anschauen: https://www.tinkertoys.de/3d5sls
Das Fused Deposition Modeling (FDM) arbeitet mit einem Filament, das drahtförmig aufgespult ist. Das Material (meist Kunststoffvarianten) wird mit einer Heizdüse erhitzt und dann Schicht für Schicht aufgetragen. Für Überhänge wird Stützmaterial verwendet. Das Modell entsteht auf einem Druckbett, wo es auskühlt und aushärtet. Der Aufbau eines Körpers erfolgt üblicherweise, indem wiederholt jeweils zeilenweise eine Arbeitsebene abgefahren und dann die Arbeitsebene ‚stapelnd‘ nach oben verschoben wird, sodass eine Form schichtweise entsteht. Dieses Verfahren ist in den meisten Schule, die mit 3D-Druckern arbeiten gängig. Vorteile sind eine recht schnelle Fertigung und eine gute Oberfläche der Modelle. Drucker aus dieser Reihe starten bereits bei wenigen hundert Euro. Das Filament ist ebenfalls mit ca. 15 € pro Kg erschwinglich. Einen solchen Drucker lernst du später noch genauer kennen. Ebenfalls spannend: https://www.tinkertoys.de/3d5fdm
Versuche mithilfe der Informationen aus der Box die Steckbriefe der 3D-Druckverfahren auszufüllen. Recherchiere ggf. für mehr Informationen im Internet.
Wie du schon erfahren hast, nutzen die unterschiedlichen 3D-Druckverfahren verschiedene Materialien (Werkstoffe). Hier siehst du eine Übersicht einiger Werkstoffe, die genutzt werden können. Lies dir die folgenden Infoboxen durch.
Schau dir die Bilder an. Dort siehst du verschiedene Objekte aus dem 3D-Drucker. Überlege, welche Materialien je genutzt wurden? Schreibe deine Vermutung in dein Heft.
Überlege dir weitere praktische Anwendungen im Alltag mit mindestens 2 verschiedenen Druckverfahren deiner Wahl. Überlege auch die Vor- und Nachteile, die Zielgruppe und mögliche Schwierigkeiten.
Aufgabe 7: Von der Konstruktion zum fertigen Objekt
Du kannst auch Modelle mit Überhängen drucken. Dazu muss man aber eine Stützstruktur drucken, die später abgebrochen werden kann. Im Sliceprozess kann dieses Stützmaterial manuell oder automatisch erstellt werden.
Versuche jeden Schritt auf dem jeweiligen Bild zu beschreiben.
Schau dir das Bild zu der Brücke an. Man könnte denken, dass hier ebenfalls Stützstrukturen gebraucht werden. Bei Brückenüberhängen sind jedoch keine Stützstrukturen nötig. Der Drucker kann Brücken ohne Stützen drucken.
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