In einer geeigneten CAD-Software erstellen Lernende unter Anleitung eigene 3D-Objekte. Dabei wird die CAD-Software entsprechend dem Alter der Kinder ausgewählt, Jugendliche können auch eine komplexe 3D-Modelling-Software mit differenziertem Funktionsumfang bedienen. Anschließend müssen die dreidimensionalen Daten durch eine Slicer-Software in einen Maschinencode umgewandelt werden, welchen der 3D-Drucker interpretieren kann. In diesem Schritt werden dem fertigen 3D-Modell auch eine passende Innenfüllung sowie eventuelle Stützstrukturen hinzugefügt. Die GCODE-Datei wird anschließend über ein geeignetes Speichermedium an den 3D-Drucker in der Schule übergeben. Auch bei kleinen 3D-Objekten dauert der Druckvorgang mehrere Stunden! Die Druckzeit lässt sich verkürzen, wenn Abstriche bei der Qualität in Kauf genommen werden.
3D-Workshop im Schulunterricht: Modularer Aufbau
Es empfiehlt sich, Lernenden jedes Alters ausreichend Zeit zu lassen, sich in der neuartigen Arbeitsumgebung im dreidimensionalen Koordinatensystem zu orientieren. Sowohl in der gewählten CAD-Software als auch im Slicer zählt dies zu den elementaren Fähigkeiten, die ein Anwender benötigt. In der abschließenden Druckphase ist ein fachkundiges Troubleshooting von großer Bedeutung, um auf mögliche Herausforderungen angemessen reagieren zu können. Aber auch ein Profi-Anwender erkennt nicht immer sofort das Problem, wenn der Druck einmal nicht wie gewünscht ausfällt.
Modul 1: CAD-Software bedienen lernen – mindestens 6 Monate
In der direkt im Internetbrowser ausführbaren CAD-Anwendung TinkerCAD gibt es einen speziellen Bereich für Lehrkräfte. Sie können Klassen anlegen und den Lernfortschritt Ihrer Schüler jederzeit überprüfen. Einzelne Projekte lassen sich für Testsituationen einrichten, außerdem ermöglicht die kostenfreie Software das Hinzuziehen von elektronischen Elementen aus der Elektrizitätslehre der Physik sowie eine Programmierung mit Codeblöcken. TinkerCAD ist also sowohl für einfach zu erstellende 3D-Modelle als auch für das virtuelle Aufbauen elektrischer Schaltkreise sowie zur Vertiefung der Programmierkenntnisse geeignet. Es lassen sich jedoch im FDM-Drucker nur reine Kunststoffmodelle erzeugen.
Das 3D-Modellieren funktioniert in TinkerCAD durch vorgefertigte 3D-Formen, welche sich individuell bearbeiten, zusammenfügen oder voneinander abziehen lassen. Es gibt im Lehrer-Bereich diverse Anleitungen, die in Unterrichtssituation nachgebaut werden können. Außerdem steht allen Anwendern ein kostenfreier Zugriff auf eine große Datenbank an 3D-Modellen anderer Nutzer zur Verfügung. Diese dürfen in der Regel ausschließlich nicht-kommerziell verwendet werden, ermöglichen beim Erlernen der CAD-Software jedoch ein tieferes Verständnis für die Möglichkeiten der additiven Fertigung. Für private Ausdrucke dürfen alle 3D-Vorlagen aus TinkerCAD in der Regel genutzt werden, Ihre Schüler können auch eigene 3D-Modelle mit der Öffentlichkeit teilen.
Ältere Schüler ab etwa Klasse 9 bedienen die CAD Software Blender sicher nach etwa einem Semester der intensiven Einarbeitung. Es gibt frei verfügbare Tutorials im Internet, welche erfahrungsgemäß auch in der Häuslichkeit begeistert selbstständig umgesetzt werden. Während TinkerCAD auf Deutsch genutzt werden kann, liegen alle Elemente und Funktionen von Blender ausschließlich auf Englisch vor. Eine gewisse sprachliche Kompetenz ist also Voraussetzung, um diese ebenfalls kostenfreie 3D-Software ohne Frust verwenden zu können. Blender muss auf den Schulcomputern installiert werden, es wird jedoch im Vergleich zu TinkerCAD kein eigener Account notwendig.
Modul 2 Druckvorstufe – ca. 4 Wochen oder länger
Hat der Kurs 3D-Ergebnisse fertiggestellt, die gedruckt werden sollen, folgt nun die Einarbeitung in eine Slicing-Software. Cura ist ein professionelles Programm mit vielfältigen Einstellungsmöglichkeiten. Der große Vorteil von Cura liegt darin, dass für die meisten gängigen 3D-Drucker vorgefertigte Druckprofile verwendet werden können, welche die vielzähligen Einstellungen erleichtern. Auch Slic3r ist eine geeignete Möglichkeit, den Maschinencode für den 3D-Drucker zu erzeugen.
In der Druckvorstufe geht es vornehmlich darum, fertige 3D-Modelle in einzelne Schichten zu unterteilen, welche dann der Reihe nach vom 3D-Drucker erzeugt werden. Objekte können entweder hohl sein oder mit einer Innenfüllung versehen werden. Dies wirkt sich auf die Stabilität aus, eine zu hohe Innenfüllung sorgt jedoch für vermehrtes Warping beim Druck. Ab einem Überhang von 45° wird außerdem eine Stützstruktur nötig, da 3D-Drucker nicht in der Luft drucken können. Im gewählten Slicer lässt sich zunächst eine Vorschau simulieren.
Modul 3 Troubleshooting zum Druckvorgang in 3D – bis Schuljahresende
Liefert der 3D-Druck keine zufriedenstellenden Ergebnisse, liegt dies häufig an Fehlern am modellierten 3D-Objekt. Manchmal sind Polygone nicht geschlossen, das 3D-Modell ist dann „nicht wasserdicht“. Am besten werden zunächst 3D-Objekte ohne Überhang erzeugt, um Stützstrukturen zu vermeiden. Diese müssen nachträglich entfernt werden, wobei ein 3D-Objekt aus Plastik leicht beschädigt werden kann.
Haftet das 3D-Objekt nicht solide auf der Druckplatte, können sich Fehler im Druck der oberen Schichten ergeben. Meist ist es günstig, die Druckplatte während des gesamten Druckvorgangs zu beheizen oder mittels angebrachtem Kreppband (Malerklebeband) für eine bessere Bodenschichthaftung zu sorgen. Die Druckplatte muss nach jedem Druckvorgang akribisch von Filamentresten befreit werden, denn auch kleinste Erhebungen können für einen unebenmäßigen Druck sorgen.
Sind die Lüfter an den Extrudern zu stark oder schwach eingestellt, kann es zu einem zu schnellen oder zu langsamen Abkühlen des heißen Filaments kommen. Das sorgt für Verformungen oder hinterlässt dunkle Spuren auf dem 3D-Objekt aufgrund partiell zu starker Hitzeeinwirkung.
Ist die Druckgeschwindigkeit zu hoch eingestellt, fallen die Druckergebnisse nicht so aus wie gewünscht. Für ein ansehnliches 3D-Modell sollte daher eine länger Druckzeit akzeptiert werden.
