3D-Druck in der Schule

Der 3D-Druck lässt sich auf verschiedene Art und Weise in den Unterricht integrieren, wie z.B. als technisches Gerät in den Technik- oder Informatikunterricht. Dort kann die faszinierende Entstehung eines 3D-Drucks beobachtet werden. Der Drucker wird fertig aufgebaut und kalibriert geliefert. Die Lieferung erfolgt inkl. Verbrauchsmaterial.

Das Medienlabor der Stadt Bielefeld verleiht an interessierte Bielefelder Lehrkräfte 3D-Drucker Prusa Mini+

Kontakt:
Medienlabor der Stadt Bielefeld
Jörg Klingbeil
Tel.: 0521 - 516581
email: joerg.klingbeil@bielefeld.de

Praktische Übungen zur Benutzung der 3D-Drucker (Prusa Mini+) des Medienlabors:

Informieren Sie sich über die Termine zu unseren nächsten Workshops:

Sammelbegriff für verschiedene Technologien der additiven Fertigung.

Additive Fertigung, Additive Manufacturing, Generative Fertigung oder Rapid-Technologien, ist eine umfassende Bezeichnung für alle Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen und so dreidimensionale Gegenstände erzeugt werden.

Fused Deposition Modeling

Wird auch als Schmelzschichtverfahren bezeichnet und gilt als das bekannteste Verfahren im Bereich der additiven Fertigung. Bei diesem Verfahren wird ein Kunststoffdraht (=Filament) aufgeschmolzen, durch eine Düse gedrückt und dann schichtweise aufgetragen.

Fused Filament Fabrication

Alternativer Begriff für das FDM-Verfahren.

Computer Aided Design

CAD ist die Technologie zur Erstellung von Entwürfen, Konstruktionen und technischen Zeichnungen. Das manuelle Entwerfen, Konstruieren und Zeichnen werden durch einen automatisierten, computerunterstützten Prozess ersetzt.

Stereolithografie

STL-Dateien sind das Standarddateiformat für den 3D-Druck und Grundlage für die Druckvorbereitung im Slicer.

Sogenannte Slicer sind Programme zur Druckvorbereitung. Im Slicer wird aus einer 3D-Datei im STL-Format ein Schichtmodell für den 3D-Druck erstellt. Der Slicer exportiert i.d.R. eine Datei im GCODE-Format.

Das GCODE-Dateiformat ist die Ausgangsbasis für den 3D-Druck und wird im Slicer erzeugt. Der GCODE enthält die spezifischen Anweisungen für den 3D-Drucker in maschinenlesbarer Form. Verschiedene 3D-Drucker benötigen verschiedene GCODES. Ein GCODE für einen Prusa MINI funktioniert also nicht für einen Ultimaker und umgekehrt.

Virtual Reality

Virtual Reality ist die Wahrnehmung der Wirklichkeit in einer virtuellen Umgebung, bspw. in einer VR-Brille.

Generell ist bei allen Geräten (egal in welcher Preiskategorie) die Druckgeschwindigkeit der größte Engpass. Wenn nach einer Unterrichtseinheit die Konstruktionsergebnisse einer Klasse gedruckt werden sollen fallen schnell viele Druckstunden an (je nach Konstruktion sind mindestens 2 Stunden pro Schüler:in realistisch). Wenn man dann nur einen (evtl. auch sehr guten/teuren) 3D-Drucker hat, bildet sich schnell eine Druckwarteschlange. Deswegen empfehlen wir immer eher mehrere günstige und robuste Geräte anzuschaffen, anstatt einer „High-Tech“-Maschine (die evtl. im Detail besser ist). Mit vielen eher günstigen Geräten lässt sich dieser Engpass beim Drucken lösen.

Weitere Tipps zum Vermeiden vom Druckwarteschlangen findest du im verlinkten Blogbeitrag.

Das Kultusministerium Baden-Württemberg hat in Zusammenarbeit mit der Unfallkasse Baden-Württemberg (UKBW) und dem Zentrum für Schulqualität und Lehrerbildung (ZSL) die Handreichung „Sicherer Umgang mit 3D-Druckern in der Schule“ für allgemein bildende Schulen und vergleichbare Fächer an Beruflichen Schulen veröffentlicht. Sie ist als Arbeits- und Orientierungshilfe konzipiert und umfasst u. a. Planungsschritte und Vorgaben, die vor der Anschaffung, beim Kauf, der Aufstellung, der Inbetriebnahme und dem Umgang mit 3D-Druckern beachtet werden sollten.

Slicer des Herstellers Prusa. Open Source und verfügbar für diverse 3D-Drucker auch anderer Hersteller.

Beliebter Slicer des Herstellers Ultimaker. Open Source und verfügbar für diverse 3D-Drucker auch anderer Hersteller.

Slicer des Herstellers MakerBot.

In der Druckvorbereitung wird mit einem Slicer aus einer 3D Datei (i.d.R. im .STL-Format) ein Schichtmodell im GCODE Dateiformat erstellt. Beim Slicen werden wesentliche Einstellungen für den 3D-Druck vorgenommen, die die Druckdauer und Qualität des späteren Objekts bestimmen, bspw. Schichtstärke und Geschwindigkeiten. Außerdem werden im Slicer die passenden Einstellungen für das jeweilige Material vorgenommen. Slicer werden häufig vom 3D-Drucker Hersteller mitgeliefert oder es werden Open Source Slicer empfohlen.

Slicer des herstellers Bambu Lab. Open Source.

Slicer des Herstellers Prusa. Open Source und verfügbar für diverse 3D-Drucker auch anderer Hersteller.

Beliebter Slicer des Herstellers Ultimaker. Open Source und verfügbar für diverse 3D-Drucker auch anderer Hersteller.

Slicer des Herstellers MakerBot.

Was ist 3D-Druck? Wie funktioniert 3D-Druck? Welche Rolle spielt 3D-Druck für die Zukunft? Wie lässt sich 3D-Druck in der Schule unterrichten? Diese Fragen und mehr werden beantwortet. Mitarbeiter des Stadtmedienzentrums Stuttgart zeigen, wie der Druck funktioniert. Verschiedene 3D-Drucker stehen dort in einem Makerspace zur Verfügung. Des Weiteren zeigen 3 Schulen ihre 3D-Druck-Projekte (Schokoladenform, Schulhausnachbau mit Minecraft, Ferngesteuertes Modellauto) in verschiedenen Schwierigkeitsstufen.

Mit dem Verfahren des 3D-Drucks eröffnet sich eine ganz neue Art der Produktion. Wurde Material bislang durch Bearbeitung verkleinert und geformt, wird es beim 3D-Druck nach und nach, Schicht für Schicht, ergänzt.

Der Film zeigt, wie der 3D-Druck funktioniert und begleitet den Weg vom ersten Entwurf am Computer bis zum fertigen Objekt. Er zeigt zudem die verschiedenen 3D-Druckverfahren und erläutert die Werkstückeigenschaften, die sich mit ihnen erzielen lassen. Die ständig wachsende Bedeutung des 3D-Drucks im Bereich des Rapid Prototyping (schnelle und kostengünstige Herstellung von Prototypen) und des Rapid Manufacturing (schnelle und kostengünstige Herstellung von Kleinserien) wird ebenfalls thematisiert.

Sachgeschichte zum 3D-Druck (ca. 5 Minuten, Deutsch)

Ein 3D-Drucker kann unterschiedliche Formen und Gegenstände drucken – und diese können auch ganz schön groß sein. Johannes reist nach Lindau am Bodensee und besucht dort den Architekten André Baldauf. Der möchte anbauen. Die zweite Etage, die auf sein Haus gesetzt werden soll, soll aus einem 3D-Drucker kommen. Das wäre weltweit das erste Mal. Der Drucker, der hierbei eingesetzt wird, hat natürlich auch eine entsprechende Größe – und er druckt mit Mörtel. Wie dies genau vonstattengeht und wobei der Drucker die Hilfe des Menschen benötigt, hat sich Johannes einmal ganz genau angesehen.

Am alten Herd ist ein Plastikteil abgebrochen und es gibt kein Ersatz mehr dafür? Du hast einen selten, aber wichtigen Lego-Stein verloren? Du hast eine Idee im Kopf, dir fehlt allerdings ein Prototyp? Genau hier kommen 3D-Drucker zum Einsatz. Wie alt diese Technologie bereits ist und wie sie genau funktioniert, schauen wir uns in der heutigen Folge von TechUcation@school an.

3D-Druck ist ein Verfahren, mit dem ihr dreidimensionale Produkte fertigen könnt. Diese werden digital mit CAD-SOFTWARE konstruiert und anschließend Schicht auf Schicht gedruckt. Dieses Video und weitere tolle Materialien rund um das Thema Schüler:innenfirmen findet ihr im Internet unter www.klasse-zukunft.de!

Reden wir hier von FFF, FDM, SLA oder doch von SLS? Ein 3D-Drucker ist Bestandteil jedes guten Makerspaces. Doch hinter dem Sammelbegriff des 3D-Drucks verbergen sich diverse additive Fertigungsverfahren. In dieser Session lernst Du dich im Abkürzungs-Dschungel zurechtzufinden und erfährst welche unterschiedlichen Druckverfahren es gibt.

Nachdem wir in der letzten Session erfahren haben, welche unterschiedlichen Druckverfahren es gibt, möchten wir jetzt den FDM-3D-Druck näher beleuchten. Welcher Drucker ist der richtige für mich? Brauche ich einen Direct-Drive- oder doch eher einen Bowden-Extruder? Was hat es mit einem Delta-Drucker auf sich und welche Materialien sind für meinen Drucker geeignet?

Woher weiß der Drucker eigentlich was er machen soll? Eine Slicing-Software übersetzt unser 3D-Modell in einen Maschinencode. Als Stellschrauben stehen uns Nutzern unterschiedliche Parameter zur Verfügung, die maßgeblich über den Erfolg des Drucks entscheiden. Was verbirgt sich hinter Begriffen wie „Infill“, „Retraction“, „Brim“, „Skirt“ und „Raft“ und welchen Einfluss haben sie auf mein Druckergebnis? In dieser Session lernst Du alles von Druckbett-Haftung, über Parameter-Einstellung bis hin zu typischen Druckfehlern und wie Du sie vermeiden kannst.

Mit Hilfe des Cookie Casters lassen sich auf einfachstem Weg individuelle Keksausstecher selbst produzieren und drucken, daher ist der Cookie Caster als Einstieg für Kinder in den 3D-Druck bestens geeignet. Um den eigenen Keksausstecher zu erstellen benötigt man nur einen Computer mit Internet.

Mit welchen Druckverfahren sich Schicht für Schicht nahezu beliebige Gegenstände herstellen lassen, erläutert Edgar Dörsam von der Technischen Universität Darmstadt in dieser Folge.

Das Calliope mini Arbeitsheft bietet eine allgemeine Einführung sowie Aufgbe zum Kennenlernen und Steuern der einzelnen Komponenten.

Im Calliope mini Arbeitsheft 2 dreht sich alles um Spielmechanismen und Bewegung sowie darum, eigene Ideen umzusetzen.

Projekte mit dem Calliope mini:

Das lehrplangebundene Unterrichtsmaterial für Klasse 2 bis 10 bietet Lehrkräften und Schüler:innen den optimalen Einstieg, um den Digitalen Baukasten im MINT-, Kunst und fächerübergreifenden Unterricht einzusetzen und dabei die Lernziele der einzelnen Bildungspläne zu verwirklichen und kreativ zu ergänzen. Das Unterrichtsmaterial:

Aktuell sind 21 Lerneinheiten für über 100 Stunden Unterricht in verschiedenen Formaten verfügbar.

In der Broschüre finden Lehrkräfte 21 Ideen für den kreativen Einsatz von TinkerSchool im Unterricht. Darüber hinaus erfahren sie spannendes Hintergrundwissen zur 3D-Technologie und deren Relevanz für die Schule. Dazu erhalten Sie Tipps und Tricks zum Nachbearbeiten von 3D-Modellen sowie zum sicheren Umgang mit 3D-Druckern in der Schule.

Der Chloroplast (TinkerToys)

In dieser Lerneinheit festigen die Schüler:innen ihr Wissen zum Aufbau des Chloroplasts. Mit Hilfe eines Lückentextes, zweier Bauanleitungen und einem Lernposter üben sie die Funktionen der Einzelteile und erstellen ein eigenes Lernmodell, das 3D-gedruckt werden kann.

Lehrkräfte müssen für den Kurs die Bauanleitung „Der Chloroplast“ und optional „Der Chloroplast: Lernzielkontrolle“ freischalten.

Die Medienzentren in Baden-Württemberg haben in einem geförderten Projekt diverse Unterrichtsbeispiele erarbeitet, erprobt und veröffentlicht. Leider fehlt bei vielen Unterrichtsbeispielen die Dokumentation

Konzept der IHK Hessen, allerdings wird dort mit SolidWorks gearbeitet (empfehlen wir nur für den Einsatz mit höheren Klassenstufen, NICHT als Einstieg in 3D Konstruktion)

Umfangreiche Handreichung mit vielen Informationen zum Einsatz von 3D-Druck in der Schule, auch mit Unterrichtsbeispielen.

Im Internet gibt es diverse Plattformen, auf denen 3D-Modelle hoch- und runtergeladen werden können. Teilweise ist der Download kostenpflichtig. Achtung: Nicht alle 3D-Modelle sind für den 3D-Druck geeignet oder optimiert. Eine Prüfung erfolgt in der Regel nicht. Auch Lizenz- oder Urheberrechtsverstöße bei den 3D-Modellen sind möglich.

Älteste und größte Plattform, gehört zum 3D-Drucker Hersteller UltiMaker (ehemals MakerBot)

Plattform des 3D-Drucker Herstellers Bambu Lab, Integration in die Smartphone App "Bambu Handy" mit Funktionen zum Slicen, teilweise können fertige GCODES heruntergeladen werden.

Plattform des 3D-Drucker Herstellers Prusa, 3D-Modelle sind sehr häufig für den 3D-Druck geeignet, teilweise können fertige GCODES heruntergeladen werden.

Plattform mit oft besonders schönen 3D-Modellen, teilweise kostenpflichtige Downloads

Als Plattform des 3D-Drucker Herstellers Ultimaker gestartet, gehört mittlerweile zu "MyMiniFactory". Viele Modelle zum Kauf.

Eine weitere aufstrebende Plattform mit diversen Apps und Integrationen (bspw. für das Blender)

Meta-Suchmaschine, die mehrere Plattformen für 3D-Modelle durchsucht und entsprechend Ergebnisse anzeigt.

Es gibt verschiedene Technologien um 3D-Modelle aus einem 3D-Scan zu erzeugen. Bei allen Technologien ist der manuelle Aufwand in der Nachbearbeitung häufig sehr hoch. Damit scheidet der Einsatz im Unterricht in den meisten Fällen aus.

Eine Option ist der Revopoint POP 3 (Plus).

 

Offizielles Tutorial des Herstellers (Englisch)

Ausführliche Beschreibung vom Scan bis zum fertigen 3D-Modell (Englisch).

Photogrammetrie ist technisch gesehen kein 3D Scanverfahren.
Während ein 3D Laserscanner seine Umgebung mit Laserstrahlen abtastet und mit dieser Vermessung eine Punktwolke aus Koordinaten erstellt, nutzt man beim photogrammetrischen Verfahren Fotografien als Grundlage. Eine Photogrammetrie-Software rekonstruiert aus einer Serie aus unterschiedlichen Winkeln aufgenommenen Bildern ein digitales 3D Modell. Durch die leichte Parallaxverschiebung zwischen den unterschiedlichen Bildern kann ein 3D Objekt rekonstruiert werden.

Es gibt viele verschiedene Ansätze und Programme zur 3D-Konstruktion. Je nach Lernziel, Altersstufe und evtl. auch in Anpassung an die verfügbaren Endgeräte, muss vorab das richtige Konstruktionsprogramm ausgewählt werden.

Blockbasiertes Konstruieren (ähnlich Scratch beim Programmieren);
kostenfreie Webanwendung (angepasste Version für Bildungseinrichtungen kostenpflichtig);
Unterrichtsmaterialien (v.a. Lernvideos auf Englisch verfügbar);
blocksCAD ist eine vereinfachte grafische Oberfläche für:

Kostenfreie webbasierte Konstruktionssoftware von Autodesk;
Große weltweite Community, daher viele Unterrichtsmaterialien verfügbar, jedoch i.d.R. auf Englisch;
eher nicht für Tabletklassen geeignet.

Kostenfrei verfügbar als TinkerToys-Version, Kostenpflichtige Schullizenzen als TinkerSchool-Version;
Unterrichtsmaterial mit Lehrplanbezug kostenfrei verfügbar für Tabletklassen geeignet;
Schulungen, Fortbildungen regional in verschiedenen Bundesländern.

Vollwertiges professionelles Konstruktionsprogramm, für Bildungseinrichtungen kostenfrei verfügbar,
komplexe Bedienung mit vielen Optionen, idealerweise Konstruktionsvorwissen vorhanden, viele Videoanleitungen verfügbar.

Vollwertiges professionelles Konstruktionsprogramm, für Bildungseinrichtungen kostenfrei verfügbar,
komplexe Bedienung mit vielen Optionen,
idealerweise Konstruktionsvorwissen vorhanden.

Interessant für Elektrotechnik durch Integration der 3D-Modelle der Bauelemente der Elektronikdistributoren Allied Electronics und RS Components.

Onshape ist eine cloudbasierte CAD-Software, die für Bildungseinrichtungen kostenfrei angeboten wird. Eine Besonderheit ist die Möglichkeit, kollaborativ an einem Modell zu arbeiten.

Mächtiges Open Source 3D Design Toolm viele Möglichkeiten, komplexe Bedienung, voxelbasiertes Konstruieren.

Kostenfreies Open Sourcem Konstruktionsprogramm, sehr gut geeignet für parametrisches Konstruieren.

GeoGebra bietet die Möglichkeit 3D-Dateien zu exportieren.

Digitale Bildhauerei

VR-Brillen oder AR-Anwendungen ermöglichen es, 3D-Dateien in einer anderen Umgebung wahrzunehmen. Sie bilden eine sinnvolle Möglichkeit 3D Konstruktionen zu erleben, ohne jedes Objekt auch in 3D ausdrucken zu müssen. Häufig werden VR-Brillen in folgendem Kontext genutzt:

Kinderfreundliche Anwendung zur Erstellung von 3D Szenarien für VR und AR Umgebungen, auch für den Einsatz mit Oculus VR-Brillen geeignet, kann gut genutzt werden, um mehrere 3D-Modelle aus einer Konstruktionssoftware (bspw. TinkerSchool) in einer VR-Umgebung darzustellen, Anleitung für den Export bei TinkerSchool und Import bei ClassVR verfügbar.

Spezielle VR-Brillen für den Einsatz in Schulen, umfangreiches Unterrichtsmaterial, kein Facebook-Zwang. Anleitung für den Export bei TinkerSchool und Import bei ClassVR verfügbar.