Entscheidend für den schulischen Einsatz ist das Verfahren: Schülerinnen und Schüler erstellen selbst digital dreidimensionale Objekte, die dann über den Drucker Teil der primären Realität werden – daher werden 3D-Drucker auch als Digital-zu-Analog-Maschinen bezeichnet. Das gedruckte Werkstück steht dabei aber fast nie allein für sich, sondern ist meist ein Bauteil von mehreren und wird im Makingspace oder der Werkstatt weiterverarbeitet. In diesen Lern- und Produktionsräumen stehen neben dem 3D-Drucker außerdem noch weitere Digital-zu-Analog-Maschinen wie Lasercutter, CNC-Fräsen, Stickmaschinen und vieles mehr bereit. Und natürlich gibt es in einem Makingspace auch rein analoge Werkzeuge.
Gewinn von 3D-Druck für den Unterricht
3D-Druck in der Arbeitswelt
Zahlreiche große Firmen sehen in der Möglichkeit, Großserien im 3D-Drucker zu produzieren, den nächsten großen Schritt in der Veränderung der Produktionsstraßen und Lagerhaltung. Nicht mehr nur Prototypen und Kleinserien, sondern alle neu entwickelten Teile werden in den nächsten Jahren auf die 3D-Druckbarkeit hin überprüft werden.
So haben zuletzt Airbus und VW angekündigt, in Zukunft Teile regulär als 3D-Druck zu realisieren. Eine Rolle spielen hierbei auch neue Metalldrucker.
Auch das Vorhalten von Lagerteilen ist insbesondere bei Teilen mit geringer Nachfrage eine kostspielige Dienstleistung. Mercedes denkt daher bereits darüber nach, in Zukunft für die Young- und Oldtimer der Marke nicht länger alle Teile, sondern auch digitale Vorlagen bereitzustellen, die bei Bedarf 3D-druckbar sind.
Auswirkungen auf die Sekundarstufe I
Für die Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe I bedeutet dies, dass eine neue Kompetenz in Zukunft für einen erfolgreichen Start in die Berufstätigkeit an Bedeutung gewinnt. Diese Kompetenz kann als 3D-Konstruktionsfähigkeit beschrieben werden. Hiermit sind sowohl handwerkliche Fähigkeiten, zum Beispiel die Bedienung exemplarischer CAD-Software, Slicer und 3D-Drucker, als auch generell das dreidimensionale Denken und Operieren gemeint. Auch die überfachlichen Kompetenzen wie Kommunikation im Team et cetera spielen für den 3D-Druck eine Rolle.
Verankerung in den Bildungsplänen
Die berufsspezifische beziehungsweise berufsvorbereitende Komponente des 3D-Drucks ist bereits in den Bildungsplänen 2016 für die Sekundarstufe I aus Baden-Württemberg enthalten. So heißt es zum Beispiel im Bildungsplan für das Fach Technik für die Klasse 7/8/9 unter 3.2.3.1 „Produktionstechnik“:
„Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und bewerten verschiedene Fertigungsarten und deren Wechselwirkung auf das Arbeitsleben und die Gesellschaft. Sie kennen die Prinzipien arbeitsteiliger Serienfertigung und setzen diese am Beispiel der Fertigung eines einfachen Produkts um. Die Schülerinnen und Schüler reflektieren und bewerten den Prozess und das Produkt.“
In den beigefügten Umsetzungshilfen findet sich das Kapitel „Kunststoffe“ und hier die Konstruktionsaufgabe „Handyhalterung“, die sich sehr gut für die Umsetzung im 3D-Druck eignet.
In dieser Art lassen sich zahlreiche weitere Anknüpfungspunkte im Bildungsplan finden. 3D-Druck ist ein zeitgemäßes Verfahren zur Umsetzung der Bildungspläne und somit für die Schulen der Sekundarstufe I unverzichtbar für eine Berufsvorbereitung für den aktuellen und zukünftigen Arbeitsmarkt.
Dieser berufsvorbereitende Aspekt sollte eigentlich als Begründung für den Einsatz des 3D-Drucks in die Sekundarstufe I bereits ausreichen. Der 3D-Druck bietet aber darüber hinaus noch weitere Vorteile für das Lernen der Schülerinnen und Schüler, die sich aus einer lerntheoretischen Analyse des Einsatzes von 3D-Druckern im Unterricht erkennen lassen.
Aktuelle Studien zum Lernerfolg in der Sekundarstufe I
Auf die Frage, welche Faktoren das Lernen von Schülerinnen und Schülern der Sekundarstufe I besonders fördern, liefert die Gemeinschaftsschulstudie von Bohl und Wacker aus dem Jahr 2016 Antworten. In dieser Studie kommen die Wissenschaftler zu dem Ergebnis, dass es zwischen den Gemeinschaftsschulen große Unterschiede bezüglich der Unterrichtsqualität gebe. Entscheidend sei aus ihrer Sicht nicht eine bloße Veränderung der Rahmenbedingungen, sondern eine Qualifizierung der Lehrkräfte hinsichtlich der fachbezogenen Arbeit mit Aufgaben in individualisierten Unterrichtskonzepten.
Das bloße Verändern von Rahmenbedingungen im Umgang mit Heterogenität bezeichnet man nach einem Modell von Wygotski auch als Oberflächenstruktur oder Sichtstruktur. Eine Änderung beispielsweise der Sozialform führe demnach nicht automatisch zu einem größeren Lernerfolg, wenn die Art des Unterrichts gleich bleibe.
Das alleinige Bereitstellen von 3D-Druckern und das Operieren mit vorgefertigten Inhalten ist in Anlehnung an Wygotski also dem Bereich der Oberflächenstruktur zuzurechnen.
Erst das Schaffen von Tiefenstruktur führt dazu, dass Schülerinnen und Schüler einen dauerhaften Lernerfolg erreichen. Entwicklungspsychologisch wird Lernen also erst dann interessant, wenn seine Ergebnisse erhalten bleiben (nachhaltiges Lernen).
Bohl bezieht sich hierbei auf Klieme und nennt als drei wesentliche Merkmale der Unterrichtsqualität:
- Kognitive Aktivierung,
- Klassenführung und
- unterstützendes Unterrichtsklima.
Diese können als Basisdimensionen für Tiefenstruktur gelten.
Tiefenstruktur kann nicht immer zwingend erreicht werden. Zumindest kann aber die Wahrscheinlichkeit deutlich erhöht werden, dass man die Tiefenstruktur erreicht und dann auch erfolgreiche Lernprozesse anbahnen kann. Das heißt, unabhängig von der Oberflächenstruktur lässt es sich nicht vermeiden, die Tiefenstruktur zu durchschreiten und abzusichern, um dauerhafte Lernerfolge zu erreichen.
Zu den zentralen Aspekten der kognitiven Aktivierung gehört der Aspekt der Selbststeuerung der Lernenden. Herausfordernde Aufgaben, die eine Bedeutsamkeit für die Schülerinnen und Schüler haben, führen zu besonders guten Lernerfolgen. Makerspaces mit offenen Werkstattangeboten, in denen die Lernenden projektorientiert an selbst gewählten Problemstellungen arbeiten können, bieten hierfür besonders gute Bedingungen.
Die Unterrichtsqualität ist nach Pietsch in vier aufeinander folgende Stufen einzuteilen.
In den ersten beiden Stufen folgt nach der Etablierung von Regeln und der Entwicklung eines lernförderlichen Unterrichtsklimas eine effiziente Klassenführung mit optimierter Lernzeit und methodischer Variation.
Merkmale der Stufe drei sind:
- die Orientierung an den Bedürfnissen der Schülerinnen und Schüler,
- deren vielfältige Motivierung,
- die Förderung von selbstständigem, aktivem und nachhaltigem Lernen durch die Bereitstellung von Transfer- und Mitbestimmungsmöglichkeiten.
Lehrkräfte, die auf der Stufe vier arbeiten, sind in der Lage, binnendifferenziert und individualisiert zu unterrichten und ihre Lernenden wirkungs- und kompetenzorientiert zu fördern.
Eine individuelle Unterstützung mit kompetenzorientiertem, motivierendem und autonomieförderndem Unterrichtsklima schafft die Möglichkeit, die Bedeutsamkeit für die Schülerinnen und Schüler zu erhöhen. Diese identifizieren sich mit den Aufgaben und finden eigene Themen. Ein weiterer unterstützender Faktor ist die Kommunikation unter den Heranwachsenden über den fachlichen Gegenstand auch bei heterogenen Lerngruppen.
Bedeutung für den Einsatz von 3D-Druck
Projektartige Makerspaces, in denen Schülerinnen und Schüler Probleme lösen oder Produkte entwickeln, bieten demnach sehr gute Bedingungen für einen hohen und dauerhaften Lernerfolg.
Die zu erwartende Wirkung ist hierbei umso höher, je größer die Bedeutung für den einzelnen Schüler oder die einzelne Schülerin ist. Kann der Schüler oder die Schülerin ein Problem aus dem persönlichen Alltag in der Schule lösen, indem er oder sie kooperativ in einem Team mittels CAD-Software und anschließendem 3D-Druck ein Produkt repariert, ersetzt oder neu konstruiert, so ist von einem hohen fächerübergreifenden Lernerfolg auszugehen.
Eine Schlüsselfunktion hat hierbei auch das Erklären von Zusammenhängen, da beim Erklären der Lernzuwachs für den Erklärenden besonders hoch ist. Für die fachbezogene Kommunikation in der Gruppe sollten genügend große Zeitfenster eingeplant werden.
Das eigentliche Drucken kann aufgrund der Dauer des 3D-Drucks in der Regel erst nach dem Unterricht stattfinden, sodass das Ergebnis am folgenden Schultag betrachtet und bewertet werden kann.
Anschließend ist als Phase eine Überarbeitung und weitere Optimierung der Drucke sinnvoll und aus Sicht der Schülerinnen und Schüler auch erforderlich. Auch dieser Aspekt sollte bei der zeitlichen Planung berücksichtigt werden.
Die Lehrerinnen und Lehrer haben in Makerspaces die Möglichkeit, verschiedene Aspekte des Classroom Managements in projektartigen Settings umzusetzen und so die Qualität des Unterrichts zu steigern.
Exemplarisch sei hier die Möglichkeit genannt, die Schülerinnen und Schüler individuell in ihren persönlichen Prozessen zu unterstützen und zu beraten, anstatt zentrale Inputs in gleichschrittigen Phasen zu geben. Die Präsenz und der Überblick der Lehrerenden, die durch das selbstgesteuerte Lernen der Lernenden möglich werden, können für eine individuelle Diagnostik und Lernstandsanalyse genutzt werden. Hieraus lassen sich wiederum individuell passende Angebote ableiten.
Sonderpädagogische Förderung und Inklusion
Der Einsatz von 3D-Druck in sonderpädagogischen und inklusiven Settings hat zusätzliche positive Aspekte. So ist es mittlerweile gut belegt, dass Menschen mit Autismus-Spektrum-Störung besonders positiv auf technische Geräte ansprechen. Erste Makerspaces mit 3D-Druckern wurden in diesem Zusammenhang bereits erfolgreich realisiert.
Bei Schülerinnen und Schülern mit Lernproblemen ist der Aspekt des konkreten schöpferischen Aktes mit einem begreifbaren Ergebnis ein positiv unterstützender Faktor. Selbst Kinder mit stärkeren Beeinträchtigungen können sich so als selbstwirksam erleben. Hier bieten sich einfache Konstruktionsmöglichkeiten zum Beispiel mit Tablet-Apps an.
Im Bereich der Blindheit und Sehbehinderung sowie der Körperbehinderung hat der 3D-Druck darüber hinaus zahlreiche Möglichkeiten für Lehrkräfte, individuelle Hilfsmittel und Unterrichtsmaterialien zu erstellen (zum Beispiel Tastmodelle).
Über Erfolg oder Misserfolg des Einsatzes von 3D-Druckern in der Sekundarstufe I entscheidet nicht allein die Verfügbarkeit von Geräten.
Entscheidend ist, wie die 3D-Drucker zum Beispiel im Rahmen von projektartigen Makerspaces zu Lernsettings führen, die Lernenden einen besseren Lernerfolg ermöglichen.
Die Bereitstellung geeigneter Unterrichtsbeispiele kann hierbei positiv unterstützend wirken.
Bohl, T. & Wacker, A. (Hrsg.) (2016). Die Einführung der Gemeinschaftsschule in Baden-Württemberg. Abschlussbericht der wissenschaftlichen Begleitforschung. Münster: Waxmann.
Klieme, E. & Rakoczy, K. (2008). Empirische Unterrichtsforschung und Fachdidaktik. Outcome-orientierte Messung und Prozessqualität des Unterrichts. Zeitschrift für Pädagogik, 54 (2), 222–237.
Pietsch, M. (2013). Unterrichtsentwicklung: Was guten Unterricht kennzeichnet. Bildung und Wissenschaft (12), 24–27.
Wygotski, L. S. (1987). Ausgewählte Schriften. Arbeiten zur psychischen Entwicklung der Persönlichkeit. Berlin/DDR: Volk und Wissen.
Integration von 3D-Druck in die Schule
3D-Druck ist eine Technologie, die nicht nur in großen Firmen, sondern auch in immer mehr kleinen und mittleren Unternehmen genutzt wird sowie auch im Hobbybereich vermehrt Anwendung findet. Durch viele technische Entwicklungen wurden die Geräte in den letzten Jahren immer bedienerfreundlicher. Dennoch handelt es sich um technische Geräte, bei denen entsprechend der Angaben des Herstellers auf einen sicheren Betrieb geachtet werden muss.
Für den Betrieb der Geräte an Schulen und für die Herstellung von Produkten ist eine entsprechende Gefährdungsbeurteilung notwendig. Erstellte Objekte dienen als Unterrichtsmaterial, eine weitere Verwendung unterliegt den Bestimmungen der Produkthaftung.
Folgende Broschüren bieten Informationen zum Betrieb von 3D-Druckern an Schulen sowie zu Sicherheits- und Gesundheitsschutz:
- Handreichung „Sicherer
Umgang mit 3D-Druckern in der Schule. Handreichung für allgemein bildende Schulen und vergleichbare Fächer an beruflichen Schulen
in Baden-Württemberg“ (PDF-Datei) (Herausgeber: Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg,
Zentrum für Schulqualität und Lehrerbildung Baden-Württemberg, Unfallkasse Baden-Württemberg)
- Broschüre „Emissionen aus additiven Fertigungsanlagen — 3D-Druck“ (PDF-Datei) (Herausgeber: Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung)
- Broschüre „Produktsicherheit beim 3-D-Druck. Tipps für private Verwenderinnen und Verwender“ (PDF-Datei) (Herausgeber: Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin)
- Broschüre „3D-Tischdrucker in Schulen“ (PDF-Datei) (Herausgeber: Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung e. V.)
Um eine Idee, sei es für ein technisches Bauteil, ein Modell, den Prototyp eines Produkts oder für ein Objekt der bildenden Künste, mittels der Technik des 3D-Drucks zu realisieren, bedarf es eines strukturierten Workflows. Der hier dargestellte Arbeitsablauf zeigt idealtypisch die Schritte von Entwurf bis zum fertigen Werkstück.
Der erste Schritt für jeden 3D-Druck ist die Erstellung einer geeigneten Druckvorlage. Selbst wenn auf Vorlagen aus dem Internet (zum Beispiel von www.thingiverse.com ) zurückgegriffen wird, gilt es zu bedenken: Ohne Werkzeuge zum Anfertigen eines Entwurfs gibt es keinen 3D-Druck.
Folgende vier grundsätzliche Werkzeugkategorien für die Druckvorlagenerstellung bieten sich an, auch dann, wenn nur Druckvorlagen aus dem Netz den jeweils eigenen Bedürfnissen angepasst werden sollen:
- 2D/2,5D-CAD-Software (CAD steht für „Computer Aided Design“) für technische Zeichnungen,
- 3D-CAD-Software für exaktes Konstruieren im dreidimensionalen Raum,
- Spezial-CAD-Programme aus den Bereichen Game-Prototyping und Animationsfilm für freie Formgestaltung,
- 3D-Scanner mit Programm zum Auswerten der Scans für das Kopieren real existierender Gegenstände.
3D-CAD-Programme
Bei vollwertigem 3D-CAD sind alle Körper als echte Volumenkörper, also als Solids, definiert.
Die wichtigsten Techniken beim Konstruieren sind die booleschen Operationen, mit denen durch die Kombination von Subtraktion und Addition einfacher Grundkörper komplexe Formen erstellt werden.
Neben der reinen 3D-Konstruktion stellen 3D-CAD-Programme meist auch 2/2,5D-Techniken zur Verfügung, die mit der reinen 3D-Planung kombiniert werden können.
Direkte und/oder parametrische Modellierung
Mit fast allen 2/2,5D- und 3D-CAD-Programmen kann man geometrische Elemente direkt über bestimmte Funktionen (Skalieren, Verschieben, Dehnen et cetera) verändern. Es kann so direkte Modellierung betrieben werden.
Es gibt jedoch auch Programme, die parametrische Modellierung beherrschen. Diese Technik wird bei technischen Konstruktionen eingesetzt. Dabei wird die Gestaltung des Modells über Parameter gesteuert. Wird dann ein Parameter (wie zum Beispiel die Gewindegröße aller Sacklöcher von M8 auf M10) geändert, ist eine Software, die parametrische Modellierung beherrscht, in der Lage, alle nötigen Veränderungen am Volumenmodell automatisiert vorzunehmen.
Spezial-CAD-Programme aus den Bereichen Gamedesign und Animationsfilm
Für das skulpturale Arbeiten an 3D-Formen eignen sich die klassischen 2/2,5D- und 3D-Techniken von CAD-Programmen nur sehr eingeschränkt.
Es gibt jedoch Software, die darauf spezialisiert ist, 3D-Körper sehr frei zu modellieren.
Ebenso gibt es Spezialprogramme, um Modelle von Menschen, Tieren und Fantasiegestalten zu erstellen. Die meisten dieser Programme wurden für die Entwicklung von Animationsfilmen und/oder 3D-Spiele-Inhalten entwickelt. Typische Beispiele für diese Art von Software sind Blender und MakeHuman.
3D-Scanner mit Programm zum Auswerten der Scans
Ein vorhandenes dreidimensionales Modell beziehungsweise das Original eines zukünftigen Werkstücks kann man einscannen.
Scanner, in die ein Modell gestellt werden kann, um per Knopfdruck eine Druckdatei zu erhalten, haben die Nachteile, (noch) relativ teuer zu sein und/oder nur eine sehr eingeschränkte Größe des zu scannenden Objekts zuzulassen.
Mit dem Selbstbau eines Scanners (zum Beispiel als Projekt) kann man den ersten Nachteil (Kostenfaktor) vernachlässigen. Verwendet
man eine Digitalkamera und eine Software, die aus einer Summe von Aufnahmen des Objekts aus möglichst vielen Perspektiven ein
virtuelles Modell errechnet, stellt die Größe des Objekts somit kein Problem mehr dar.
Etabliert haben sich auch Lösungen, bei denen auf Basis einer großen Anzahl von Aufnahmen des Objekts aus möglichst unterschiedlichen Blickwinkeln browser- beziehungsweise cloud-basiert vom Rechenzentrum eines Anbieters eine Druckvorlage berechnet wird. Mit dieser Technik arbeiten auch Scanner, die auf das Tablet aufsteckbar sind und damit für den schulischen Einsatz durch ihre Flexibilität, die geringe Größe und die verhältnismäßig geringen Kosten gut geeignet sind.
Das virtuelle Modell eines Werkstücks, die Druckvorlage, sollte im Dateiformat STL (Surface Tesselation Language) aus dem verwendeten CAD-Programm exportiert werden.
Das STL-Format hat sich zum De-facto-Standard für den 3D-Druck entwickelt, mit welchem die meisten gebräuchlichen 3D-Drucker-Host-Programme und Slicer (Software, die zur Umwandlung eines 3D-Objektmodells in spezifische Anweisungen für den Drucker verwendet wird) zurechtkommen.
Falls das verwendete CAD-Programm keinen STL-Export bereitstellt, kann man ein Programm zum Konvertieren von CAD-Daten verwenden. Das kostenlose Open-Source-Programm Blender besitzt zum Beispiel Im- und Exportmöglichkeiten für die meisten gängigen Dateiformate.
Es existieren auch diverse Online-Konvertierungsdienste, die eine kostenlose Umwandlung von CAD-Daten in das STL-Format anbieten.
Falls das zum Konstruieren verwendete Programm Werkzeuge für die Analyse und gegebenenfalls Reparatur der Druckvorlage bereitstellt, sollten diese vor dem STL-Export angewendet werden. Falls nicht, muss dieser Schritt im 3D-Druck-Workflow zunächst in einem Spezialprogramm, wie zum Beispiel NetFabb, geschehen.
In den wenigsten Fällen wird die im CAD-Programm erzeugte STL-Datei auf Anhieb für den Druck geeignet sein.
Vor allem 2/2,5D-CAD-Programme und Softwares zum freien skulpturalen Modellieren erzeugen oft defekte Körperhüllen. Bei Verwendung von 3D-CAD-Programmen sind selten Fehler zu erwarten, da hier mit Solids gerechnet wird.
Vor dem Berechnen eines Maschinencodes (G-Code) aus der Druckvorlage muss das virtuelle Modell des Werkstückes auf Fehler untersucht und gegebenenfalls repariert werden. Die folgenden Fehler sind häufig anzutreffen:
- Nicht vorhandene Mannigfaltigkeit: Mannigfaltigkeit ist eine mathematische Eigenschaft eines n-dimensionalen Raumes, deren Vorhandensein jeweils mittels Differenzialgeometrie berechnet wird. Umgangssprachlich ausgedrückt muss das 3D-Objekt „wasserdicht“, also geschlossen und ohne jedwede fehlende Hüllfläche sein, damit es druckbar ist;
- falsch orientierte Normalen: Im STL-Format ist für jede Hüllfläche mittels Normalen-Vektoren eine Orientierung definiert. Jede Fläche hat wie die sprichwörtliche Medaille zwei Seiten, wobei die als Außenseite definierte sich auch tatsächlich außen befinden muss, um druckbar zu sein;
- Hüllflächen, deren Kanten nicht auf einer Ebene liegen (in sich im 3D-Raum verdrehte Flächen);
- Hüllflächen, die sich gegenseitig durchdringen;
- an gleicher Stelle doppelt vorhandene Hüllflächen.
Für die Reparatur von STL-Dateien stellen einige der Druckertreiber (Hostsoftware), die die Gerätehersteller ihren Druckern beilegen, geeignete Werkzeuge zur Verfügung, um – meist mit wenigen Mausklicks – die Druckvorlage zu reparieren.
Es gibt jedoch auch Stand-alone-Software, mit der dieser Arbeitsschritt erledigt werden kann. Das gebräuchlichste Programm ist NetFabb, welches in der Version NetFabb Basic als Freeware (kostenlos für den nicht-gewerblichen Einsatz verwendbar) erhältlich ist. Es zeichnet sich durch seine Zuverlässigkeit und Bedienungsfreundlichkeit aus.
Auch das kostenlose Open-Source-Programm Blender bietet Reparaturwerkzeuge für STL-Dateien, die jedoch anspruchsvoll zu bedienen sind.
Nachdem die Druckvorlagen aller Objekte, die gedruckt werden sollen, konstruiert, auf Fehler untersucht und druckfertig gemacht wurden,
gilt es, diese im Bauraum des Druckers zu platzieren. Dieser Vorgang geschieht zunächst im virtuellen Raum eines Host-Programms.
In der Host-Software ist der zur Verfügung stehende Bauraum dargestellt, in dem – meist mit wenigen Mausklicks – neue
Objekte, die als STL-Dateien importiert werden, positioniert werden können. Dabei sind einige Aspekte zu beachten:
- Das Werkstück darf nicht in der Luft schweben. Ein FFF-3D-Drucker muss die erste Schicht (Layer) des Drucks
zwingend auf dem Druckbett produzieren.
- Die Orientierung des Werkstückes im (Druck-)Raum kann von entscheidendem Einfluss auf die Druckqualität sein.
Um zum Beispiel einen Kegelstumpf problemlos produzieren zu können, empfiehlt es sich, dessen Grundfläche unten auf dem Grund des
Bauraums (Null-Layer) zu positionieren und die kleinere Deckfläche oben im Bauraum. So ist das entstehende Werkstück beim Druck
weniger kippgefährdet und es müssen keine Überhänge gedruckt werden.
- Wo Überhänge ein gewisses (von der Leistung des Druckers abhängiges) Maß überschreiten, sind
Stützstrukturen nötig. Diese Option wird oft auch erst beim Slicen aktiviert.
- Die sinnvolle Anordnung mehrerer zu druckender Objekte im Bauraum kann den Workflow verbessern. Mehrere Arbeiten von
Schülerinnen und Schülern auf dem Null-Layer eng nebeneinander zu platzieren, kann zum Beispiel den Druckvorgang etwas
beschleunigen, weil der Druckkopf weniger Wegstrecke zurücklegen muss.
- Da der erste Layer eines Drucks im FFF-Verfahren – je nach Bauart des Druckbetts – eine sehr glatte
Oberfläche besitzen kann, ist es in einigen Fällen sinnvoll, das Werkstück upside-down, also umgangssprachlich auf den Kopf
gestellt, zu drucken, wenn später die obere Seite des Werkstücks eine ebene und glatte Oberfläche besitzen soll.
Wenn das Werkstück passend im virtuellen Bauraum platziert ist, kann der Slicer gestartet werden. Der Slicer errechnet aus den Informationen der STL-Dateien die Bauraum-Positionierung, die Infos zu den Haftungshilfen Skirt, Raft, Brim, eventuell die nötigen Stützkonstruktionen sowie die weiteren Einstellungsdetails einen G-Code für den bevorstehenden Druck.
Dazu wird das Werkstück virtuell in Scheiben geschnitten und für jede dieser Scheiben ein Fahrweg für den Druckkopf berechnet. Die Dicke jeder Scheibe entspricht der Schichthöhe, die der Drucker produzieren kann.
Oft werden von Geräteherstellern vorgefertigte Parameter-Pakete für den Slicer angeboten, die Geräteanwender in die Lage versetzen sollen, ohne weitere Feineinstellungen sofort gute Druckergebnisse zu erzeugen. Dies gelingt auch in der Regel.
Die meisten Host-Programme, die als grafische Benutzeroberfläche (GUI) für den Slicer dienen, bieten jedoch zusätzlich diverse Einstellmöglichkeiten, mit denen Sie die Druckqualität und die Druckzeit enorm beeinflussen können. Die wichtigsten Einstellmöglichkeiten (ohne Anspruch auf Vollständigkeit) sind:
- die Infill-Dichte: Die Bandbreite reicht dabei vom ausschließlichen Druck der Außenhülle mit dünner
Wandstärke ohne jede Füllung (0 % Infill) bis zum massiven, komplett mit Kunststoff gefüllten Werkstück (100 %
Infill);
- das Infill-Muster: Die Anordnung des Infill-Materials im Raum kann schon bei geringem Materialeinsatz zu hoher
Stabilität führen. Zum Beispiel ist ein Wabenmuster als Infill stabiler als ein würfelförmiges;
- die Druckgeschwindigkeit: Langsame Drucke sind meist exakter als schnelle;
- die Haftungshilfen: Um das vorzeitige Ablösen des Werkstücks vom Druckbett während des Druckes zu
vermeiden, können sogenannte Skirts, Rafts, Brims und/oder ähnliche Techniken eingesetzt werden, die die Haftung des Druckguts am
Druckbett erhöhen sollen;
- Druckbetttemperatur und Extruder-Temperatur: Vor allem Experten können durch Verändern dieser Parameter die
Druckqualität steigern. Zudem gilt: Manche Materialien benötigen höhere Extruder-Temperaturen als andere, um überhaupt
verarbeitbar zu sein;
- Stützstrukturen: Bei extremen Überhängen kann es sinnvoll sein, den Slicer anzuweisen,
Stützstrukturen für den Druck mit zu berechnen.
Wenn alle Parameter festgelegt sind, kann der eigentliche Slicing-Vorgang, also das Erzeugen eines G-Codes, starten.
Sobald der G-Code durch die Slicer-Software errechnet wurde, kann der Druck beginnen.
Ältere Geräte müssen über eine Host-Software auf einem PC, über Kabel (zum Beispiel USB) oder WLAN gesteuert werden.
Aktuelle 3D-Drucker können auch als Stand-Alone-Geräte ohne Verbindung zu einem PC arbeiten. Meist wird dazu der am PC errechnete G-Code auf eine SD-Karte geladen, die anschließend von einer SD-Karten-Lesevorrichtung am Gerät ausgelesen wird. Über ein Bedienfeld mit Anzeige am Gerät kann dann der gewünschte G-Code ausgewählt und der Druck gestartet werden.
Nach dem Laden des G-Codes und dem Start des Drucks ist einige Geduld von Nöten, bis das Werkstück Schicht für Schicht im Drucker aufgebaut wird.
Die meisten Slicer-Programme zeigen eine geschätzte Druckzeit an, die je nach Infill-Rate, Druckgeschwindigkeit und Größe des Objekts stark variieren kann.
Nach erfolgreichem Druck kann das Werkstück vom Druckbett gelöst werden.
Einige Drucker verfügen über ein biegbares Druckbett, sodass zum Ablösen des Werkstücks vom Bett jenes nur mit beherztem Griff gebogen werden muss, bis das Werkstück sich löst.
Die meisten Druckbetten, vor allem jene, die über eine Heizung verfügen, sind starr. Hier hilft ein Spachtel mit dünner Klinge bei der Ablösung des Druckgutes, die zwischen das Bett und das Werkstück gehebelt wird. Dabei ist jedoch immer darauf zu achten, das Druckbett nicht zu zerkratzen oder anderweitig zu beschädigen.
Abschließend kann es gegebenenfalls nötig sein, das Werkstück nachzubearbeiten. Zu dieser Versäuberung zählen zum Beispiel:
- das Entfernen von Stützstrukturen und/oder Haftungshilfen (Skirt, Brim oder Raft),
- das Schleifen und Polieren,
- das Nachbohren von Löchern und so weiter.
Problem
Das PLA-Filament bricht während des Drucks im Filamentkanal zum Coldend des Extruders, sodass der Extruder leerläuft.
Ursache
PLA-Filament altert und ist hygroskopisch, das heißt, das Material nimmt Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft auf.
Lösung
-
- Vorbeugend Filamente immer möglichst dicht lagern. Hierfür eignen sich zum Beispiel Eimer mit luftdicht schließenden Deckeln oder Vakuumtaschen zur Kleidungsaufbewahrung. Die Beigabe eines Tütchens Luftentfeuchter-Granulat hilft zusätzlich.
- Filament, welches schon geschädigt ist, kann man im Umluftofen beziehungsweise Trockenschrank trocknen. Ein bis drei Stunden Erhitzung auf 50 Grad sind ein grober Richtwert.
Achtung: Obwohl dieses Ergebnis auch mit Küchen-Backöfen erreicht werden kann, ist davon dringend abzuraten, da aus dem Filament ausdampfende Chemikalien dazu führen, dass nachfolgend in dem Ofen zubereitete Speisen ungenießbar oder gesundheitsgefährdend sein können!
Ursache und Lösung
Siehe: Brüchiges PLA-Filament.
Problem: Der erste Layer wird zwar extrudiert, die Kunststoffspur löst sich aber direkt beim Druck wieder vom Bett.
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- Ursache: Die Druckdüse ist zu weit vom Druckbett entfernt.
- Lösung: Neukalibrierung der z-Achse.
Problem: Es kommt beim ersten Layer zu wenig und/oder lückenhaft Filament aus der Düse.
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- Ursache: Die Druckdüse ist zu nahe am Druckbett, sodass ihre Öffnung blockiert ist.
- Lösung: Neukalibrierung der z-Achse.
Problem: In einigen Bereichen des ersten Layers funktioniert die Extrusion gut, in anderen löst sich der Kunststoff jedoch gleich wieder und/oder in anderen Bereichen wird zu wenig extrudiert.
-
- Ursache: Das Druckbett ist nicht parallel zu den Linearführungen der y- und y-Achse ausgerichtet.
- Lösung: Neukalibrierung der z-Achse mit mehreren Messpunkten, bei rechteckförmigem Druckbett idealerweise in jeder Ecke.
Problem: Der Druck startet zwar mit scheinbar guter Haftung des Werkstücks, nach einiger Zeit löst sich das Werkstück jedoch vom Druckbett und der Druck misslingt.
1. Möglichkeit
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- Ursache: Das Werkstück verzieht sich beim Auskühlen wegen thermischer Spannungen.
- Lösung: Mit beheizbarem Druckbett drucken.
2. Möglichkeit
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- Ursache: Das Werkstück hat eine zu kleine Auflagefläche.
- Lösung: Haftungshilfen verwenden.
3. Möglichkeit
-
- Ursache: Filament-Material und Druckbett-Oberfläche harmonieren nicht miteinander.
- Lösung: Haftungshilfen verwenden.
Problem: Die in der Firmware und/oder in der Slicer-Konfiguration hinterlegten Vortriebswege pro Steppermotor-Umdrehung stimmen nicht.
Lösung:
Ein Verändern der Firmware sollte immer nur vom Gerätehersteller vorgenommen werden.
Die Vortriebswege können auch in der Slicer-Konfiguration vorgenommen werden. Dazu wird ein
Werkstück (wie zum Beispiel ein Probewürfel) nach dessen Ausdruck genau vermessen und mit den Sollmaßen, die in der
STL-Datei gespeichert sind, verglichen und ein Umrechnungsfaktor errechnet, der in der Slicer-Konfiguration hinterlegt wird. Diese
Nachkalibrierung muss für jede Achse einzeln vorgenommen werden.
Problem: Das Werkstück schrumpft beim Abkühlen ungleichmäßig.
Lösung:
Hier sind mehrere Probedrucke mit jeweils leicht veränderten Druckparametern nötig.