• Wissen: 3D-Druck ab Klasse 5 - TinkerSchool-Lerneinheit
  • TinkerToys GmbH
  • 12.06.2023
  • fächerverbindend, Sachunterricht, Technik, Werken
  • 5, 6, 7, 8, 9, 10
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Hinweis zum Einsatz im Unterricht

Zusatzinfos für Lehrkräfte:

In dieser Lerneinheit ‚Wissen: 3D-Druck‘ erfahren die Schüler und Schülerinnen in 3 Lernschritten grundlegende Informationen zum Thema 3D-Druck. Sie lernen, wie ein 3D-Drucker funktioniert, welche Beispielmaterialien es gibt und welche Rolle Stützstrukturen spielen. Mithilfe von altersgerecht aufbereiteten Videos und Bildmaterial wird der Inhalt aufbereitet. Die Lerneinheit wird mit Lernzielkontrollen zum Thema abgeschlossen.



Bearbeitungsdauer: 5 Unterrichtsstunden



Benötigtes Material:

  • Internetfähiges Endgerät
  • Schreibutensilien



Hybrider Unterricht:

Die Lerneinheit kann 1:1 für das Homeschooling übernommen werden.



Vorkenntnisse:

keine



Lernziele:

  • Die SuS kennen verschiedene Druckverfahren und deren Werkstoffe.
  • Sie wissen um den Innnovationsgrad und die Einsatzbereiche von 3D-Druckern.
  • Sie wissen um die Funktion von Stützmaterial und Infill von 3D-Objekten.
  • Die SuS können die Funktionsweise eines FDM-Druckers (Prusa Mini) beschreiben und die Einzelteile benennen.



Lizenz:

Du darfst diese Lerneinheit unter Angabe des Urhebers teilen und verändern (zu gleichen Lizenzbedingungen). Erfahre mehr dazu unter: https://creativecommons.org/licenses/?lang=de

Wis­sen: 3D-​Druck

In die­ser Lern­ein­heit er­fährst du in 3 Lern­schrit­ten Span­nen­des rund um das Thema 3D-​Druck. Du lernst, wie ein 3D-​Drucker funk­ti­o­niert, wel­che Bei­spiel­ma­te­ri­a­li­en es gibt und wel­che Rolle Stütz­struk­tu­ren spie­len. Du kannst dir span­nen­de Vi­de­os und Bil­der an­schau­en und schließt das Ganze mit einer Lern­ziel­kon­trol­len ab.

Was ist ein 3D-​Drucker?

Das 3D-​Druckverfahren ist gar nicht so neu, wie wir glau­ben. Den ers­ten funk­ti­o­nie­ren­den 3D-​Drucker gab es be­reits 1984. Be­reits ei­ni­ge Jahre spä­ter wur­den die ers­ten Pro­to­ty­pen er­stellt. Die Tech­ni­ken und Ma­te­ri­a­li­en sind mitt­ler­wei­le viel­fäl­tig und fin­den in un­ter­schied­li­chen Be­rei­chen An­wen­dung. Mitt­ler­wei­le wer­den z.B. Au­to­tei­le, Klei­dung oder ganze Häu­ser 3D-​gedruckt. Die 3D-​Objekte er­stellt man mit einem CAD (Computer-​aided De­sign) Pro­gramm.

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Über­le­ge, ob du schon mal einen 3D-​Drucker ge­se­hen hast? Wenn ja, wo und was hat er her­ge­stellt? Was wür­dest du dir gern 3D-​drucken, wenn du könn­test?
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Lies dir zu­nächst den In­fo­kas­ten zu den un­ter­schied­li­chen 3D-​Druckverfahren durch. In die­ser Lern­ein­heit stel­len wir dir drei ver­schie­de­ne Ver­fah­ren vor.

Ste­re­o­li­tho­gra­fie (SLA)



SLA ist 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:

Se­lek­ti­ve La­ser­sin­tern (SLS)



Genau an­ders­her­um als SLA 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. Gips ver­wen­det wer­den.

Solch ein Dru­cker kos­tet 150.000 Euro und pro Ki­lo­gramm Ma­te­ri­al zahlt man noch ein­mal ca. 450 Euro. Wie fas­zi­nie­rend das Se­lek­ti­ve La­ser­sin­tern ar­bei­tet, kannst du dir hier an­schau­en:

Fused De­po­si­ti­on Mo­de­ling (FDM)



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:

Namen des Ver­fah­rens: SLS (SLS (Selektives Lasersintern)
Ma­te­ri­al: Quarzsand oder Kunststoffpulver
Druck­vor­gang: Das Pulver wird punktuell von einem Laser geschmolzen. So entsteht Stück für Stück das Konstrukt. Das Verfahren nennt man Schichtbauverfahren.

Vor­tei­le: Hinterschneidungen möglich

Nach­tei­le: hoher maschineller und zeitlicher Aufwand
Namen des Ver­fah­rens: SLA (Stereolithographie
Ma­te­ri­al: flüssiger Kunstharz
Druck­vor­gang: Ein UV-​Laser bringt flüssigen Harz in
eine feste Form. Wenn Kunstharz bestimmten Lichtquellen ausgesetzt ist, vereinen sich kurze Molekülketten und es entstehen steife und flexible Geometrien.

Vor­tei­le: Hohe Detailgenauigkeit, glatteste Oberfläche
und Vielfalt

Nach­tei­le: Im Vergleich recht teuer
Namen des Ver­fah­rens: SLA (Stereolithographie
Ma­te­ri­al: flüssiger Kunstharz
Druck­vor­gang: Ein UV-​Laser bringt flüssigen Harz in
eine feste Form. Wenn Kunstharz bestimmten Lichtquellen ausgesetzt ist, vereinen sich kurze Molekülketten und es entstehen steife und flexible Geometrien.

Vor­tei­le: Hohe Detailgenauigkeit, glatteste Oberfläche
und Vielfalt

Nach­tei­le: Im Vergleich recht teuer

3D-​gedruckte Ma­te­ri­a­li­en

Wie du schon er­fah­ren hast, nut­zen die un­ter­schied­li­chen 3D-​Druckverfahren ver­schie­de­ne Ma­te­ri­a­li­en (Werk­stof­fe). Hier siehst du eine Über­sicht ei­ni­ger Werk­stof­fe, die ge­nutzt wer­den kön­nen.

3
Schau dir die Bil­der an. Dort siehst du ver­schie­de­ne Ob­jek­te aus dem 3D-​Drucker. Über­le­ge, wel­che Ma­te­ri­a­li­en je ge­nutzt wur­den?

Pulver

PLA-​Bronze

PLA-​Holz

Flex

An­wen­dungs­be­rei­che

4
Schau dir die Vi­de­os zu den ver­schie­de­nen An­wen­dungs­be­rei­chen an.

Über­le­ge dir wei­te­re prak­ti­sche An­wen­dun­gen im All­tag mit min­des­tens zwei ver­schie­de­nen Druck­ver­fah­ren dei­ner Wahl. Über­le­ge auch die Vor- und Nach­tei­le, die Ziel­grup­pe und mög­li­che Schwie­rig­kei­ten.

https://www.you­tube.com/watch?v=DdvbwFFDZ­RI

https://www.you­tube.com/watch?v=7bSfV2RYziY

Wei­te­re Ein­satz­be­rei­che:

- Au­to­mo­bil­in­dus­trie
- Er­satz­tei­le
- Me­di­zin
- Kunst
- Pro­to­ty­pen­bau
- in­di­vi­du­el­le Pro­duk­te

Das Stütz­ma­te­ri­al

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.

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Von der Kon­struk­ti­on zum fer­ti­gen Ob­jekt - Ver­su­che jeden Schritt auf dem je­wei­li­gen Bild zu be­schrei­ben.
Bild 1: Das Pferd wurde mit dem Di­gi­ta­len Bau­kas­ten (3D-​Konstruktionssoftware) er­stellt. Hier kann noch kein Stütz­ma­te­ri­al ein­ge­stellt wer­den.

Bild 2: Im Slice­pro­gramm (hier PRUSA Slicer) wer­den Ein­stel­lun­gen zum Stütz­ma­te­ri­al vor­ge­nom­men.
Diese kön­nen ma­nu­ell oder au­to­ma­tisch er­stellt wer­den. Ab Über­hän­gen von 60 Grad muss Stütz­ma­te­ri­al ein­ge­fügt wer­den.

Bild 3: Hier siehst du das Pferd nach dem Druck­pro­zess mit Stütz­ma­te­ri­al. Die­ses kann ein­fach mit einer Zange ent­fernt wer­den.

Bild 4: Das Bild zeigt das End­ergeb­nis dei­nes Pfer­des. Das Stütz­ma­te­ri­al wurde ent­fernt.
Aus­nah­me bei Brü­cken­über­hän­gen

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.

Der Prusa Mini stellt sich vor

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Schau dir das Er­klär­vi­deo an und be­ant­wor­te an­schlie­ßend die Fra­gen auf der nächs­ten Seite.

https://youtu.be/iep­JS­gGAVn8

1. Nach wel­chem Druck­ver­fah­ren ar­bei­tet der Prusa Mini?
Der Prusa Mini ist ein FDM Dru­cker. Er ar­bei­tet also mit einem Kunst­stoff­fila­ment, das von einer Rolle zum Druck­kopf ge­zo­gen und dort er­hitzt wird.
2. Wie nennt man das Ma­te­ri­al/Mus­ter in dem Ob­jekt?
Das Ma­te­ri­al in dem Ob­jekt nennt man In­fill. Wie es aus­sieht, kann im Slice­pro­zess be­stimmt wer­den. Die gän­gigs­ten Mus­ter sind Gy­ro­id, Tri­an­gu­lar und Rec­ti­li­ne­ar.
3. Was macht ein Slicer und wann kommt die­ser zum Ein­satz?
Der Slicer ist der Zwi­schen­schritt zwi­schen Kon­struk­ti­on und Druck. Hier wer­den Aspek­te wie Ma­te­ri­al, Stüt­zen, Schicht­hö­he uvm. ein­ge­stellt. Am Ende hat man das gCode-​Format, dass den Ma­schi­nen­code für den 3D-​Drucker be­inhal­tet.
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Ver­voll­stän­di­ge das Lern­pos­ter mit den rich­ti­gen Be­grif­fen.
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  • 2
  • 3
  • 4
  • Druck­kopf
  • Ma­te­ri­al­schlauch
  • Druck­bett
  • be­weg­li­che Ach­sen
  • 5
  • 6
  • 7
  • Druck­an­zei­ge
  • USB-​Eingabe
  • An-/Aus-​Knopf

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Lern­ziel­kon­trol­le

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Auf wie­viel Grad wird das Ma­te­ri­al un­ge­fähr er­hitzt, damit es schmilzt?
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Wel­che Ei­gen­schaf­ten weißt ABS im Ge­gen­satz zu an­de­ren Ma­te­ri­a­li­en auf?
10
Wie nennt man das Ma­te­ri­al in­ner­halb des Mo­dells?
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Mit wel­chem Ma­te­ri­al wird WOOD­FILL ge­mischt?
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Mit wel­chem Ver­fah­ren kann man flüs­si­ges Ma­te­ri­al ver­wen­den?
13
Wel­ches Ver­fah­ren ist am kos­ten­güns­tigs­ten?
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Woher be­kom­men die Ach­sen die In­for­ma­ti­on, wie sie sich be­we­gen sol­len?
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