Frederik Dilling, Ingo Witzke

Zur Funktionsweise der 3D-Druck-Technologie

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Frederik Dilling, Ingo Witzke

Unter dem Begriff 3D-Druck wird eine Reihe von Fertigungsverfahren gefasst, mit welchen sich schnell und verhältnismäßig preisgünstig Modelle, Prototypen, Werkzeuge und weitere Endprodukte herstellen lassen.

Der 3D-Druck zählt zu den additiven Herstellungsverfahren: Das Material wird unabhängig (vom Druckverfahren) sukzessive zu einem dreidimensionalen Objekt aufgebaut. Im Gegensatz dazu stehen die subtraktiven Herstellungsverfahren, bei denen nicht zum Objekt gehörende Teile aus dem Material entfernt werden (etwa Fräsen oder Bildhauen).
Die Herstellung der Objekte erfolgt beim 3D-Druck auf der Basis von computerbasierten 3D-Modellen. Diese werden mit einer Computer-Aided-Design-Software (CAD-Software) programmiert und mit einer Slicer-Software in Steuerungsbefehle für den Drucker überführt. Damit besteht die 3D-Druck-Technologie aus einer Software-Komponente (CAD und Slicer) sowie einer Hardware-Komponente (3D-Drucker), vgl. Abb. 1 . Wird die 3D-Druck-Technologie von Schülerinnen und Schülern verwendet, müssen diese den Umgang mit beiden Komponenten beherrschen.
Das Erlernen des technischen Umgangs sollte dabei nicht nur Teil des Informatikunterrichts sein, sondern explizit auch im Mathematikunterricht diskutiert werden dadurch kann die Entwicklung entsprechender technischer Kompetenzen mit sinnstiftenden Inhalten der Mathematik verknüpft werden.
Um Verletzungen zu vermeiden (z.B. Verbrennungen an der Düse) ist es zudem wichtig, dass die Schülerinnen und Schüler über die Gefahren der Verwendung des Werkzeugs aufgeklärt werden.
CAD-Software im Mathematikunterricht
Computer-Aided-Design-Software ist eine Klasse von Computerprogrammen, mit denen sich virtuelle dreidimensionale Modelle erstellen lassen. Im Allgemeinen werden folgende Modellierungsmethoden unterschieden (Abb. 2 ).
Direktes Modellieren
Beim direkten Modellieren können geometrische Grundkörper (Quader, Zylinder usw.) auf der Arbeitsfläche verschoben und durch Ziehen einzelner Elemente (Punkte, Flächen, Kanten) direkt verändert werden. Mit Hilfe Boolescher Operatoren (Vereinigung, Differenz, Schnittmenge) können die Schnitte und Vereinigungen einzelner Grundkörper gebildet und auf diese Weise auch komplexe Körper konstruiert werden. Die Verwendung der direkten Modellierungsmethode ist vergleichsweise intuitiv, da die Veränderung des Körpers zu jeder Zeit sichtbar ist. Dies erlaubt spontane Änderungen an den Objekten und eine eher experimentelle Herangehensweise.
Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist das Programm „TinkercadTM (https://www.tinkercad.com/) von der Firma Autodesk. Das kostenlose, browserbasierte Programm funktioniert auf jedem Betriebssystem und eine Installation ist nicht notwendig. Ein Klassen-Account kann eingerichtet werden.
Parametrisches Modellieren
Das parametrische Modellieren basiert im Gegensatz zum direkten Modellieren auf dem Erstellen von zweidimensionalen Skizzen in einer ausgewählten Zeichenebene. Die Skizzenelemente in der Ebene werden durch das Einfügen von Beziehungen (senkrecht, parallel, konzentrisch usw.) und Bemaßungen vollständig bestimmt. Diese Parameter können auch im Nachhinein noch verändert werden. Die durch die Skizze angefertigten Flächen werden in einem zweiten Schritt „extrudiert, das heißt, zu einem Volumenkörper entwickelt. Auf einer Oberfläche des Volumenkörpers können anschließend weitere Skizzen erstellt werden. Entsprechend der Booleschen Operatoren können Extrusionen sowohl Volumen aufbauen als auch schon bestehender Körper entfernen. Dies erlaubt das vergleichsweise schnelle Erstellen komplexer dreidimensionaler Objekte. Für die Bedienung parametrischer Modellierungsprogramme ist allerdings ein hohes räumliches Vorstellungsvermögen sowie ein sehr planvolles Vorgehen nötig.
Ein Beispiel für eine parametrische CAD-Anwendung ist das Programm SketchUp der Firma Trimble. Es ist in der leicht eingeschränkten Make-Version kostenlos...
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Fakten zum Artikel
aus: Mathematik lehren Nr. 217 / 2019

3D-Druck

Methode & Didaktik Schuljahr 5-13