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.

1

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?

2

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?

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.

Das erste Motorrad aus dem 3D-Drucker

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

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

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.

5

Von der Konstruktion zum fertigen Objekt - Versuche jeden Schritt auf dem jeweiligen Bild zu beschreiben.

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

6

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?

2. Wie nennt man das Material/Muster in dem Objekt?

3. Was macht ein Slicer und wann kommt dieser zum Einsatz?

7

Vervollständige das Lernposter mit den richtigen Begriffen.

1
2
3
4

Druckkopf
Materialschlauch
Druckbett
bewegliche Achsen

5
6
7

Druckanzeige
USB-Eingabe
An-/Aus-Knopf

1

2

3

6

7

4

5

Lernzielkontrolle

8

Auf wieviel Grad wird das Material ungefähr erhitzt, damit es schmilzt?

9

Welche Eigenschaften weißt ABS im Gegensatz zu anderen Materialien auf?

10

Wie nennt man das Material innerhalb des Modells?

11

Mit welchem Material wird WOODFILL gemischt?

12

Mit welchem Verfahren kann man flüssiges Material verwenden?

13

Welches Verfahren ist am kostengünstigsten?

14

Woher bekommen die Achsen die Information, wie sie sich bewegen sollen?

Wissen: 3D-Druck ab Klasse 5 - TinkerSchool-Lerneinheit

Was ist ein 3D-Drucker?

3D-gedruckte Materialien

Anwendungsbereiche

Das Stützmaterial

Der Prusa Mini stellt sich vor

Lernzielkontrolle

Wissen: 3D-Druck ab Klasse 5 - TinkerSchool-Lerneinheit

Lizenzhinweis

Wissen: 3D-Druck ab Klasse 5 - TinkerSchool-Lerneinheit

Was ist ein 3D-​Drucker?

3D-​gedruckte Ma­te­ri­a­li­en

An­wen­dungs­be­rei­che

Das Stütz­ma­te­ri­al

Der Prusa Mini stellt sich vor

Lern­ziel­kon­trol­le

Wissen: 3D-Druck ab Klasse 5 - TinkerSchool-Lerneinheit

Lizenzhinweis

Was ist ein 3D-Drucker?

3D-gedruckte Materialien

Anwendungsbereiche

Das Stützmaterial

Lernzielkontrolle