ProjektarbeitimInformatikunterricht-Bauund Anwendungeines3D-Druckers

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1 JensGallenbacher(Hrsg.):INFOS2015 Informatikallgemeinbildendbegreifen LectureNotesinInformatics(LNI),GesellschaftfürInformatik,Bonn ProjektarbeitimInformatikunterricht-Bauund Anwendungeines3D-Druckers HenryHerper 1,VolkmarHinz 2 undphilippschüßler 3 Abstract:RapidPrototypingistinderIndustrieeinFertigungsverfahren,beidemohnemanuelle Umwege3D-ModelleinProdukteumgesetztwerden.Nachmehrals30JahrenIndustrieeinsatzist diesesverfahrenmitdem3d-druckerauchfürdieschuleeinsetzbargeworden.dieschülerinnen undschülerkönnenallephasendermodellerstellungundmodellumwandlungselbstgestaltenund dieeinzelnenarbeitsschritteverfolgen.imvorgestelltenprojektwirdgezeigt,wieauseinem BausatzeinfunktionsfähigerDruckererstelltwirdundwiemitdiesemDruckerProdukte hergestelltwerdenkönnen.fürdentechnikunterrichtergibtsichdiemöglichkeit,ausgedruckten TeilenkomplexereSystemezusammenzufügenundihreFunktionsfähigkeitzutesten.Bezüglich der Anforderungen an Oberflächen und Toleranzen werden diegrenzen dieses Produktionsverfahrensdeutlich. Keywords:Prototyping,3D-Drucker,fächerverbindendesProjekt 1Einleitung InformatischeInhaltedringenimmerstärkerindieLebensweltderSchülerinnenund Schüler ein. Schwerpunktist diebedienung bildschirmbasiertersysteme. InformatiksystemedurchdringenauchweitereBereichederLebenswelt.Füreinen kontextbezogeneninformatikunterrichtgibteseinevielzahlvonanwendungsgebieten. EtablierthabensichimtechnischenBereichvorallemdiecomputerbasierteSteuerung vongeräten.seiteinigenjahrennimmtdieverbreitungvon3d-druckernständigzu und diepreise haben ein Niveau erreicht,das diesetechnik auch im Informatikunterrichteinsetzbarmacht.DerAufbauunddieNutzungderDrucker berührenvieleteilgebietederinformatikunddestechnikunterrichtes.hierbietetsich derfächerverbindendeansatzvoninformatikundtechnikan.deraufbaueines3d- DruckersauseinemBausatzerfordertnebenhandwerklichenFähigkeitenaucheinsehr präzisesarbeiten.mitdemzusammenbaulernendieschülerinnenundschülerdie einzelnenkomponentendesdruckersinihremaufbauundihrerfunktionsweise kennen.dasproblemheutigertechnischersystemebestehtdarin,dasssieinderregel vollständiggekapseltsind.daswirdmitdiesembausatzvermieden. 1 Otto-von-GuerickeUniversitätMagdeburg,FakultätfürInformatik,PF4120,39016Magdeburg, henry.herper@ovgu.de 2 Otto-von-GuerickeUniversitätMagdeburg,FakultätfürInformatik,PF4120,39016Magdeburg, volkmar.hinz@ovgu.de 3 Otto-von-GuerickeUniversitätMagdeburg,FakultätfürInformatik,PF4120,39016Magdeburg, philipp.schuessler@st.ovgu.de

2 166 HenryHerperetal. DieNutzungdes3D-DruckerszeigteineVorgehensweise,dieheuteauchinder IndustriebeiderHerstellungvonPrototypenoderErsatzteilenangewendetwird.Die SchülerkönnenalleSchritte,vonderIdeeüberdieZeichnungzum3-D-Datenmodellbis zumfertigenproduktselbstdurchführen.fehlermüssennichtvomlehrendenkorrigiert werden,sondernsindamendproduktdeutlichsichtbarundkönnenvondenlernenden ausgewertetwerden. 2 Bau des 3D-Druckers ImRahmendesWorkshopswirdeinProjektvorgestellt,indemein3D-Druckeraus einembausatzzusammengebautundanschließendgenutztwird.fürdieschulische UmsetzungisteinProjektgeeignet,welchesdasFachTechnikmitderInformatik verbindet.beimbaudesgerätesstehenzuersteinmaldietechnisch-mechanischen AufgabenimVordergrund.ExaktesArbeitenunterEinhaltungdervorgegebenen ToleranzenistdieGrundvoraussetzungfürdenBaueinesfunktionsfähigenGerätes. BeimEinbauderElektronikstehenInhalteausdemUmfeldMessen-Steuern-Regelnwie z.b.aufbau,funktionsweiseundsoftwaremäßigeintegrationvonsensoren,aktoren undverarbeitungseinheitenimvordergrund.hierwirdaneinemtechnischensystem, welchesdieschülerinnenundschülerinseinerkomplexitäterfassenkönnen,gezeigt, wiemechanikundelektronikeineeinheitbilden.zursteuerungdesdruckersistein Mikrokontroller vomtyp Arduino integriert. An der Programmierungdieses MikrokontrollerskönnendieSchülerinnenundSchülerdieArbeitsweiseeingebetteter Systemeerlernen. FürdiepraktischeErprobungwurdeeinVelleman3D-DruckerBausatzK8200 verwendet.miteinemanschaffungspreisvonca. 500isterfürdenschulischenBereich erschwinglich.derdemworkshopzugrundeliegendeaufbaudesbausatzeswurdeim Rahmen der Lehramtsausbildung Informatik/Technik erprobtund diemögliche UmsetzungfürdenUnterrichtseinsatzwurdeabgeleitet. DerBausatzliegtvollständiginEinzelteilenvor,dieBauanleitungisteine.pdf-Datei.Da verschiedenekomponentendesdruckersparallelundunabhängigvoneinandergebaut werdenkönnen,wirdfolgendemöglicheaufteilungfürdenbauvorgeschlagen. DieUmsetzungerfolgtmitdreiArbeitsgruppen.DieersteArbeitsgruppebautdie Spulenhalterung,denx-TischunddenRahmen.DiezweiteGruppebautdaslinkeund rechteprofildesrahmens,denextruderarmunddiez-achse.alsaufgabefürdiedritte GruppebleibenderBaudesExtruders,desHeizbettsunddieVollendungdesRahmens. AlsbesondersanspruchsvollhatsichderBauderControllerplatine,dasVerdrahtenund daseinlötenderbauteileerwiesen.dieseaufgabensollteeinesehrleistungsstarke GruppeoderderLehrendeübernehmen.Alsbesonderswichtighatsichauchdas Qualitätsmanagement,dieKontrolledereinzelnenBauschritte,herausgestellt.Die schwierigsteaufgabeimprojektistdasjustierendesgesamtsystemsunddaseinstellen derparameter.dieseeinstellungistfürdiequalitätderspäterendruckergebnisse

3 BauundAnwendungeines3D-Druckers 167 entscheidend. Entsprechend der umzusetzenden Anforderungen wird dieses Projekt ab der Klassenstufe 9empfohlen. DieRealisierung kann in einer Projektwoche, im Projektunterricht,imRahmeneinerArbeitsgemeinschaftodereinerSchülerfirma erfolgen. Abb.1:AufbaudesDruckers AndenAufbaudesDruckersschließtsichdiezweitePhase,dieNutzungimTechnikundInformatikunterrichtan. 3 Schritte zur Erstellung des 3D-Objektes NachdemderDruckeraufgebautundjustiertist,kannmitdem3-D-Druckbegonnen werden.diefolgendenschrittezuranwendungdesdruckerswerdenimworkshop praktischdurchgeführt. AlsersterSchrittzurErprobungdesDruckerskönnenModelleausdemInternetgeladen undgedrucktwerden.dabeiwerdendieprinzipiellearbeitsweiseunddiegrenzeneines 3-D-DruckersfürdieSchülerinnenundSchülersichtbar.DerDruckerfolgt,indem geschmolzenerkunststofflinien-undschichtweisemiteinanderverklebtwird.daher

4 168 HenryHerperetal. lassensichmitdieserbauartder3d-druckernursolchestrukturenherstellen,die entsprechendzusammenhängendsind. AlsersterSchrittmussein3D-Modellerstelltwerden.ImdurchgeführtenProjektwurde zurerstellungdes3d-modellsdasprogrammsketchupverwendet.diebenutzung diesesprogrammsistfüreinfachegeometrischefigurenintuitiverlernbarundfür SchülerinnenundSchülergeeignet. Abb.2:Erstellungdes3D-ModellsmitSketchUp DieerstellteDateiwirdimStereolithographieformat(.stl)abgespeichertundstehtnun fürdieweitereverwendungzurvorbereitungdes3d-drucksdurchdierepetier- SoftwarezurVerfügung.DieRepetier -SoftwareübernimmtdieTeilaufgabenzur DurchführungdesDrucks.DazugehörtdieZerlegungdesModellsinSchichtenund Linien,diedurchdieProgrammkomponenteSlic3rerzeugtwurde. Abb.3:ErstellungdesSchichtenmodells

5 BauundAnwendungeines3D-Druckers 169 DieerzeugtenDaten werden zur direkten Ansteuerungdes Druckers genutzt. Schichtweisewird das Filament (geschmolzener Kunststoff) aufgetragen. Die Bewegungen,diedasModellrealisieren,werdenüberSchrittmotorenvomDruckbett ausgeführt.diedatenwerdenvoncomputer,aufdemdasrepetier-programmläuft,im G-CodeandenArduino-Steuerrechnerübertragen.DerCodeisttransparentundkann vondenschülerinnenundschülerndirektanalysiertwerden.dasformatderzu übermittelndensteuerinformationenistindernormdin66025/iso6983definiert. DiesesFormatwirdauchfürdieSteuerungvonCNC-Maschineneingesetztund verbindetdamitinformatikunterrichtmitdemtechnikunterricht.dieschülerinnenund SchülerkönnendieeinzelnenEbenendesModellserkennenundsehengleichzeitigdie Daten,diezurErstellungdieserEbeneandenSteuerrechnerübertragenwerden. Abb.4:ZerlegungdesModellundGenerierendesG-Codes WährenddereigentlichenDruckphasekönnendieSchülerinnenundSchülerdie AbarbeitungderDatenverfolgen. AnschließendwirddasfertigeProduktbeurteiltundmitderZeichnungverglichen.Es werdendiegrenzendeseingesetztenverfahrensdeutlich.strukturen,diekleinersind, alsdie Fadenstärkeannähern könnennichtmehrgedrucktwerden.auchdie OberflächenstrukturwirddurchdenAufbauausdünnenFädenbestimmt,sodassglatte Oberflächennichtherstellbarsind. 4Fazit Der3D-Druck,alseinVerfahrendesRapidPrototyping,istaufGrunddertechnischen EntwicklunginderSchuleeinsetzbar.SchülerkönnenfürdenTechnik-und

6 170 HenryHerperetal. InformatikunterrichtBauteileselbsterstellenundalleSchrittevonderZeichnungbis zumproduktselbstgestaltenunderleben.fehlerindeneinzelnenarbeitsschritten werdenamproduktsichtbar.diedurchdietechnischenparametergegebenen EinschränkungenwerdenandengedrucktenBauteilensichtbar.MitderimProjekt verwendetettechnikliegtdiemaximaleauflösungetwabeidererstellungeineslego- SteinsodereinesetwasgrößerenZahnrades.