Mithilfe des additiven Fertigungsverfahrens Fused-Deposition-Modeling-3D-Druck (FDM) lassen sich Prototypen schon sehr früh in der Entwicklungsphase eines neuen Produktes aus verschiedenen Kunststoffen herstellen. Diesen Vorgang bezeichnet man allgemein Rapid Prototyping. Ein großer Vorteil besteht darin, dass geplante Produkte als reale Modelle ausgedruckt und von allen Seiten begutachtet werden können. Hierdurch lassen sich Probleme, wie eventuelle Konstruktionsfehler oder Schwachstellen, kostengünstig in einer sehr frühen Phase des Produktentstehungs-prozesses erkennen und beheben. Der 3D-Druck wird mittlerweile jedoch nicht mehr nur ausschließlich für den Einsatzbereich von Prototypen genutzt, sondern der Trend des industriellen 3D-Drucks entwickelt sich stetig hin zur Serienfertigungstauglichkeit und einer eigenständigen zukunftsträchtigen Produktionstechnologie.
In der Fachschule für Maschinentechnik der Emil-Possehl-Schule wird diese Entwicklung aufgegriffen und die Schülerinnen und Schüler erhalten in einem 3D-Drucker- Projekt praxisorientierten Einblicke in diese Technologie.
Das 3D-Drucker-Projekt wird im Rahmen des Unterrichtsfachs Fertigungsmaschinen durchgeführt, um den Schülerinnen und Schüler den Aufbau, die Funktionsweise und die Steuerung von 3D-Druckern zu vermitteln. Im Rahmen dieses Projektes bauen die Projektteilnehmer in Kleingruppen einen, aus ca.200 Einzelteilen bestehenden, Low-Cost-Fused-Deposition-Modeling-3D-Drucker- Bausatz (Abb. 1) zusammenbauen und nehmen diesen anschließend in Betrieb (Abb. 2 + Abb. 3) und optimieren diesen.
Abb. 1 Low-Cost-FDM-3D-Drucker in Einzelteilen
Abb. 2 Zusammengebauter Low-Cost-FDM-3D-Drucker
Abb. 3 Schüler der Klasse FMV20 mit dem FDM-3D-Drucker
Auf diese Art und Weise erhalten die Schülerinnen und Schüler vertiefte Kenntnisse über die Wirkprinzipien und die Einzelkomponenten eines FDM-3D-Druckers. Nach erfolgreichem Aufbau dieses 3D-Druckers besteht die Aufgabe der Schülerinnen und Schüler darin, den 3D-Drucker für optimale Druckergebnisse zu optimieren. Dabei setzten sich die Projektteilnehmer einerseits mit möglichen Hardware-Optimierungen und andererseits mit möglichen Software-Optimierungen auseinander.
Im Rahmen der Software-Optimierungen befassen sich die Schülerinnen und Schüler mit möglichen Einstellungsparametern (z.B.: Schichthöhe, Druckgeschwindigkeit, Düsentemperatur, etc.) der Slicing – Software (Abb. 4).
Abb. 4 Optimierung der Software-Einstellungen im Slicer
Abb. 5 Selbstgedruckte Hardware Optimierungen
Abb. 6 Ultimaker 3D Drucker
Dieser 3D- Drucker verfügt über ein beheiztes Glasdruckbett und kann Objekte mit den Maßen 223x223x205 mm drucken. Mit diesem 3D-Drucker können Objekte mit einer Schichtdicke von 0,02 mm aus den Materialien Polylactic Acid (PLA) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) gedruckt werden (Abb. 7).
Mit dieser Erweiterung steht jeder Projektgruppe damit künftig einer dieser neuen 3D-Drucker zur Verfügung und damit erhalten die Schülerinnen und Schüler nun die Gelegenheit auch einen 3D-Drucker mit Industriestandardqualität vertieft kennen-zu lernen. Diese 3D-Drucker sollen schwerpunktmäßig von den Projektgruppen dazu genutzt werden, die Hardwareoptimierungen des selbstgebauten Low-Coast-3D-Druckers weiter zu verbessern (Abb. 8 + Abb. 9).
Abb. 7 3D-Druck-Beispiele
Abb. 8 Schüler der Klasse FMV20 bei der Optimierung
Abb. 9 Schüler der Klasse FMV20 bei der Optimierung
