An Schulen und Hochschulen wird es immer normaler, dass 3D-Drucker in der Lehre oder im Unterricht eingesetzt werden. So ist an der Hochschule Trier, Standort Umwelt-Campus Birkenfeld die additive Fertigung fester Bestandteil des Maschinenbaustudiums. Neben der Vorlesung „Additive Fertigung“, in der die Grundlagen des 3D-Drucks und des 3D-Scans erklärt und im Labor selbst durchgeführt werden, gibt es z.B. auch eine Vorlesung zum Reverse Engineering eigener 3D-Scans. Weiterhin besteht die Möglichkeit für Studierende in einem Innovationslabor eigene Ideen umzusetzen. Ergebnis einer solchen Arbeit ist z.B. der Eigenbau eines 3D-Drucker durch Studenten mit einem Bauraum von 400 x 400 x 330 mm (vgl. Abb. 1).
Abb. 1: Das Projektteam am 3D-Drucker: Von links Adrian Huwer, Prof. Wahl, Jan Sprenger und Carsten Sartorius – Quelle: Jannik Scheer
Gemeinsame Forschung von Schule und Hochschule beim Thema Filamentrecycling
Die Themen 3D-Scan und 3D-Druck sind aber auch für SchülerInnen des Johannes Kepler Gymnasiums in Lebach interessant. Die SchülerInnen beschäftigen sich in der Oberstufe über zwei Jahre intensiv mit dem Thema Additive Fertigung. Die Ausbildung erfolgt in enger Kooperation mit der Hochschule Trier, Umwelt-Campus Birkenfeld und der Unterstützung der Robert-Bosch Stiftung. Neben dem normalen Schulbetrieb besuchen die 19 SchülerInnen als Frühstudierende das Fach „Additive Fertigung“ am Hochschulstandort in Birkenfeld.
In einem ersten Schritt wurden in Kleingruppen eigene 3D-Drucker aus Bausätzen zusammengebaut (vgl. Abb. 2). Der Zusammenbau erfolgte als Teil des Unterrichtes am Gymnasium und wurde von Prof. Wahl sowie Hilfswissenschaftlern begleitet. In einem nächsten Schritt lernten die Schüler bei der Inbetriebnahme der Drucker mögliche Fehlerquellen – wie z.B. schlecht gespannte Zahnriemen zur Bewegung des Druckkopfes, verstopfte Düsen – und Abhilfemaßnahmen kennen.
Abb. 2: Zusammenbau der 3D-Drucker – Quelle: Stefan Zimmermann
Weiterhin bearbeiten die Schüler im Rahmen des von der Robert Bosch Stiftung geförderten Projektes gemeinsam mit Studierenden die Forschungsfrage „Können nachhaltige Produkte mit Hilfe additiver Fertigung erzeugt werden?“
Hier wird in enger Zusammenarbeit zwischen SchülernInnen und Studenten die eigene Filamenterzeugung aus verschiedenen Kunststoffen (z.B. Abfälle aus dem 3D-Druck oder Verpackungsmaterialien) untersucht. Diese werden sortenrein mit einem Schredder in mehreren Schritten zerkleinert (vgl. Abb. 3). Abschließend wurden die Flakes in verschiedene Fraktionen gesiebt und Versuche mit verschiedenen Partikelgrößen durchgeführt.
Abb. 3: Zerkleinern der Kunststoffpartikel – Quelle: Stefan Zimmermann
Die Mischungen definierter Partikelgrößen werden getrocknet und mit Hilfe eines Extruders aufgeschmolzen und zu neuem Filament für den 3D Druck extrudiert. Beim Extrudieren gab es wiederum eine Vielzahl einzelner Parameter wie Extrusionstemperatur oder – geschwindigkeit zu untersuchen.
Abschließend wurde die Qualität der erzeugten Filamente über Durchmessermessung und Verarbeitbarkeit untersucht. Als Ergebnis kann nun eigenes Recyclingfilament hoher Qualität mit Durchmesserschwankung <0,05mm erzeugt werden.
Abb. 4: Filamenterzeugung – Quelle: Stefan Zimmermann
Das Recyclingfilament (vgl. Abb. 5) kann problemlos für den 3D-Druck der selbst aufgebauten Drucker verwendet werden.
Abb. 5: fertiges Recyclingfilament – Quelle: Aileen Wolf, Jennifer Zehfuß
Damit die Erfahrungen der eigenen Filamenterzeugung und der Umgang mit 3D-Druckern weiteren Schulen zugänglich ist, baut der Umwelt-Campus Birkenfeld aktuell ein MINT-Mobil auf, mit dessen Hilfe neben Exponaten aus dem 3D-Druck auch die einzelnen Schritte zur Filamenterzeugung (Waschen, Trocknen, Zerkleinern und Extrudieren) eigenständig durchgeführt werden können. Die einzelnen Stationen werden im Rahmen des Maschinenbaustudiums als Mitmachexperimente aufgebaut.
Interessierte Schulen oder Sponsoren für einzelne Stationen können sich gerne melden unter: m.wahl(at)umwelt-campus.de
Bildquelle Titelbild: Aileen Wolf, Jennifer Zehfuß
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